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CONNAÎTRE POUR AGIR Entreprises TRANSFORMATEUR DE DISTRIBUTION ET ÉCONOMIES D’ÉNERGIE

Ademe Transfo WEB

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Connaicirctre pour agir

Entreprises

transformateur de distribution et EacuteConomies drsquoEacutenergie

1 Introduction11 Contexte 412 Le parc et le marcheacute des transformateurs de distribution en France et en Europe 5

2 Les transformateurs de distribution deacutefinition types et principales caracteacuteristiques21 Deacutefinition 622 Types 723 Principales caracteacuteristiques 7

3 Les transformateurs de distribution et lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique31 Deacutefinition des pertes et du rendement 8311 Pertes agrave vide (P0) 8312 Pertes dues agrave la charge (Pk) 9313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux harmoniques et agrave la puissance reacuteactive10314 Reacutepartition des pertes 10315 Rendement 1032 Normes et reacuteglementations applicables 1233 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie 13

4 Le coucirct des pertes41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14411 Coucirct annuel des pertes 14412 Coucirct global des transformateurs15413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge 1542 Exemple 16

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs51 La maintenance des transformateurs 1752 La reacuteparation des transformateurs 18

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites61 Caracteacuteristique thermique 1962 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

7 Conclusion 20

8 Annexes81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit 2182 Annexe 2 - Facteur K 23821 Deacutetermination du facteur K 23822 Exemple de calcul du facteur K 2383 Annexe 3 - Eleacutements de technologie 24831 Les technologies traditionnelles 24832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 2484 Annexe 4 - Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

Som

mai

re

Utiliser ce guide pour seacutelectionner des transformateurs performants optimiser lrsquoinvestissement global et diminuer les eacutemissions de gaz agrave effet de serre 1 Ce guide preacutesente les transformateurs de distribution eacutelectriques de puissance infeacuterieure ou eacutegale agrave 2500 kVA utiliseacutes dans les reacuteseaux moyenne et basse tensions dans le but de tendre vers un optimum environnemental et technico- eacuteconomique

Il se lit en choisissant une entreacutee dans la table des matiegraveres ou au fil des pages

Les transformateurs des eacuteleacutements essentiels du reacuteseau eacutelectrique Malgreacute de tregraves bonnes performances des gains eacutenergeacutetiques sont encore possibles2 Ils preacutesentent de tregraves bons rendements (supeacuterieur agrave 98 ) mais eacutetant donneacute leur fonctionnement permanent lrsquoimpact de leurs pertes est relativement important

Connaicirctre les transformateurs de distribution

3 Les transformateurs se classent en deux cateacutegories transformateurs de type secs (refroidis agrave lrsquoair) et transformateurs immergeacutes (dans un dieacutelectrique liquide)

Pour chaque cateacutegorie de transformateurs il existe des normes avec des tables indiquant les niveaux des pertes agrave vide des pertes dues agrave la charge en fonction de la puissance

SynthegraveSedu guideConnaicirctre pour agir

entreprises

transformateur de distribution et EacuteConomies drsquoEacutenergie

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Connaicirctre ses besoins de puissance pour choisir le transformateur adapteacuteUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes en charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres paramegravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

Une attention particuliegravere doit ecirctre porteacutee agrave la nature des charges du transformateur Il est souhaitable de reacuteduire les courants harmoniques et la puissance reacuteactive pour limiter les eacutechauffements les pertes et les eacuteventuels dommages aux transformateurs

Selon les normes actuelles les transformateurs agrave pertes agrave vide reacuteduites sont aussi les plus silencieux crsquoest eacutegalement un paramegravetre de choix agrave prendre en compte

Investir dans un transformateur de distribution eacuteconome en eacutenergie

Pour estimer le coucirct drsquoun transformateur il ne faut pas se baser uniquement sur le coucirct drsquoachat variable selon les performances (pertes puissanceshellip) mais aussi sur le coucirct de fonctionnement

Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peuvent constituer un moyen pour financer un transformateur agrave pertes reacuteduites

Assurer la maintenance des transformateurs

Un transformateur exploiteacute dans des conditions normales a une dureacutee de vie moyenne de 20 agrave 30 ans Une maintenance reacuteguliegravere permet de srsquoassurer drsquoune disponibiliteacute des transformateurs

Aussi un plan de maintenance annuel doit ecirctre mis en place et respecteacute pour eacuteviter des surcoucircts et le vieillissement preacutematureacute des transformateurs

En cas de dommage drsquoun transformateur il faut comparer le coucirct de sa reacuteparation agrave celui drsquoun transformateur neuf agrave pertes reacuteduites

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

1 Introduction

11 Contexte

bull Les transformateurs de distribution eacutelectrique des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques publics et priveacutes

Les transformateurs de distribution (TD) constituent un eacuteleacutement essentiel du reacuteseau eacutelectrique Ils sont utiliseacutes pour changer une tension en geacuteneacuteral de 10 kV agrave 36 kV en une autre tension preacutefeacuterentielle de 400 agrave 440 V utilisable par le secteur reacutesidentiel le tertiaire et lrsquoindustrie

bull De bonnes performances eacutenergeacutetiques mais une marge de progregraves certaine

Aujourdrsquohui dans lrsquoUnion europeacuteenne (UE) les pertes1 des transformateurs de distribution et industriels repreacutesentent quasiment 40 TWh (de fait 399 TWh) par an les pertes du reacuteseau eacutelectrique totalisant 200 TWh reacuteparties ainsi

bull environ 225 TWh de pertes dans les transformateurs de distributionbull environ 122 TWh dans les transformateurs de distribution utiliseacutes

en industriebull environ 52 TWh dues agrave la puissance reacuteactive et aux harmoniques

ous transformateurs confondus

En France les pertes annuelles des transformateurs de lrsquoindustrie sont estimeacutees agrave 22 TWh La diffusion de transformateur agrave pertes reacuteduites est relativement faible Crsquoest pourquoi il existe un gisement technique drsquoeacuteco-nomie drsquoeacutenergie de lrsquoordre de 11 TWh2Les transformateurs ont de bonnes performances avec des rendements supeacuterieurs agrave 98 Neacuteanmoins eacutetant donneacute leur fonctionnement continu 24h24h une augmentation de leur efficaciteacute permet des eacuteconomies importantes le remplacement de tous les transformateurs de lrsquoUE par les eacutequipements les plus efficaces permettrait une reacuteduction des pertes drsquoenviron 185 TWhan (soit avec un coucirct estimeacute de 10 c eurokWh pour lrsquoUE une eacuteconomie de 185 milliards drsquoeuros)

Ce guide preacutesente outre des donneacutees techniques sur les transformateurs de distribution des recommandations sur les bonnes pratiques agrave mettre en oeuvre pour choisir et utiliser un transformateur de distributionCe guide est baseacute sur les eacutetudes mandateacutees par la commission europeacuteenne (projet SEEDT en 2005 et lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO en 2011 pour la directive ErP sur les transformateurs de distribution) et les normes (CENELEC UTE-AFNOR)

11 Le contexte des eacuteconomies drsquoeacutenergie et des transformateurs 4

bull Les transformateurs de distribution eacutelectrique des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques 4

bull De bonnes performances eacutenergeacutetiques mais une marge de progregraves certaine 4

12 Le parc et le marcheacute des transformateurs de distribution en France et en Europe 5

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12 Le parc et le marcheacute des transformateurs de distribution en France et en Europe1

Environ 47 millions de transformateurs sont en fonction-nement dans les 27 Pays membres de lrsquoUnion europeacuteenne (UEndash27)

bull 37 millions de transformateurs de distribution dont la puissance moyenne varie selon les pays de 116 agrave 369 kVA

bull 1 million de transformateurs de distribution utiliseacutes en industrie dont - 800 000 transformateurs immergeacutes leur puissance

moyenne eacutetant drsquoenviron 400 kVA- 200 000 transformateurs secs avec une puissance

moyenne drsquoenviron 800 kVA - En France les transformateurs industriels repreacutesentent

environ 250 000 uniteacutes

En Europe plus des 23 des transformateurs installeacutes ont une puissance moyenne infeacuterieure agrave 400 kVA (la plupart se situant autour de 250 kVA avec un faible pourcentage autour de 315 kVA) Les uniteacutes les plus reacutecentes sont plus puissantes

Le marcheacute annuel europeacuteen est drsquoenviron 140 000 trans-formateurs en nouvelles installations et en remplacement de ceux en fonctionnement soit environ 3 du parc existant

Parc en fonctionnement UE-27 Marcheacute UE-27

Nombre MVA Nombre MVA

Distribution (TD agrave huile)

lt 400 kVA 2 688 000 313 000 56 000 7 000

ge 400 kVA et le 630 kVA 861 000 441 000 23 000 12 000

gt 630 kVA 127 000 157 000 6 000 8 000

Total 3 676 000 911 000 85 000 27 000

Industriels (TD agrave huile)

lt 400 kVA 493 000 66 000 24 000 3 000

ge 400 kVA et le 630 181 000 90 000 8 000 4 000

gt 630 kVA 127 000 173 000 6 000 8 000

Total 802 000 330 000 38 000 15 000

Industriels (TD secs)

lt 400 kVA 39 000 13 000 3 000 1 000

ge 400 kVA et le 630 69 000 41 000 5 000 3 000

gt 630 kVA 66 000 90 000 8 000 11 000

Total 174 000 144 000 16 000 14 000

Total 4 652 000 1 385 000 139 000 56 000

le marcheacute de la distribution des TD secs est relativement moins important que celui des transformateurs immergeacutesSur le tableau 1 il apparaicirct clairement que les uniteacutes de faible puissance sont majoritairement preacutesentes dans le secteur de la distribution Parallegravelement les transformateurs de forte puissance sont preacutedominants dans le secteur industriel notamment pour les transformateurs secs

Tableau 1 Parc et marcheacute des transformateurs de distribution et industriel dans lrsquoUE en 20041

1 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution2 Etude Ceren 2010 mandateacutee par EDF RTE et lrsquoADEME

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

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2 Les transformateurs de distribution deacutefinition types et principales caracteacuteristiques

21 Deacutefinition

Les transformateurs de distribution sont utiliseacutes dans les reacuteseaux eacutelectriques pour modifier et adapter les valeurs de tensions et courants

Scheacutematiquement un transformateur se compose de deux enroulements (ou bobines) entourant un circuit magneacutetique (appeleacute encore noyau constitueacute de tocircles magneacutetiques) Chaque bobine est constitueacutee de spires mateacuteriau conducteur comme le cuivre ou lrsquoaluminium isoleacutees les unes des autres Elles sont relieacutees agrave deux reacuteseaux eacutelectriques de tension diffeacuterenteUne tension alternative drsquoalimentation aux bornes de lrsquoune des bobines geacutenegravere un flux magneacutetique variable (et donc une induction magneacutetique dans le circuit magneacutetique) creacuteant une tension induite dans lrsquoautre bobine Le rapport de tension entre les deux bobines est proportionnel aux nombres de spires

Pour les transformateurs

immergeacutes et les transformateurs de type

secs des normes speacutecifiques indiquent les niveaux de

pertes en fonction de la puissance

21 Deacutefinition 6

22 Types 7

23 Principales caracteacuteristiques 7

Figure 1 Scheacutema de principe drsquoun transformateur abaisseur

DEUX CIRCUITS ELECTRIQUES

UN CIRCUIT MAGNETIQUE

U1

I1

U2

I2

Circuit dalimentation(haute tension) Circuit

drsquoutilisation(basse tension)

N1 N

2

Enroulementprimaire

Enroulementsecondaire

SIEM

ENS

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Un transformateur fonctionne en geacuteneacuteral agrave une charge t infeacuterieure agrave 100 soit une puissance effective deacutefinie par

Peff (en kW) = k x Sn (en kVA) x cos ϕ

k repreacutesente le facteur de charge t sous la tension en charge

23 Principales caracteacuteristiques

Les transformateurs se caracteacuterisent par

bull la reacutefeacuterence normative (NF EN 50464-1 par exemple)bull la freacutequence assigneacuteebull le type (immergeacute sec) et la nature du dieacutelectrique en

cas de transformateur immergeacute (huile mineacuterale ester naturel ou de synthegravese ou autre)

bull leur puissance assigneacutee exprimeacutee en kVA (Sn)bull les tensions assigneacutees primaire et secondaire (Ur) (parfois appeleacutees aussi nominales) exprimeacutees en V bull le couplage et lrsquoindice horairebull les niveaux de pertes dues agrave la charge (Pk en W)bull le niveau de pertes agrave vide (P0 en W)

bull le type de refroidissement - pour les transformateurs de type secs AN (air naturel)

AF (air forceacute) - pour les transformateurs immergeacutes ONAN (huile

naturel air naturel)bull lrsquoanneacutee de constructionbull les reacuteparations eacuteventuelles effectueacutees (rebobinage

huile dieacutelectriquehellip)bull les eacutequipements de protection (relais de protection

capots de protectionhellip)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

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22 Types

Pour les transformateurs immergeacutes et les transformateurs de type secs les normes indiquent les niveaux des pertes en fonction de la puissance

La norme NF EN 50464-1 relative aux transformateurs immergeacutes drsquoune puissance comprise entre 50 et 2500 kVA distingue quatre niveaux de pertes dues agrave la charge (Ak - Bk - Ck et Dk) et cinq niveaux de pertes agrave vide (A0 - B0 - C0 - D0 et E0) Les pertes Ak (respectivement A0) sont plus faibles que les pertes Dk (respectivement E0) Pour une mecircme utilisation un transformateur A0-Ak est plus efficace qursquoun transformateur E0-Dk qui preacutesente les plus grandes pertes

La norme NF EN 50541-1 relative aux transformateurs de types secs drsquoune puissance comprise entre 100 et 3150 kVA distingue deux niveaux de pertes dues agrave la charge (Ak Bk) et trois niveaux de pertes agrave vide (A0 B0 C0)

Les pertes Ak (respectivement A0) sont plus faibles que les pertes Bk (respectivement C0) Pour une mecircme utilisation un transformateur A0-Ak est plus efficace qursquoun transformateur C0-Bk qui preacutesente les plus grandes pertes

Les transformateurs de types secs ont des pertes supeacute-rieures agrave celles des transformateurs immergeacutes

Lrsquoannexe 1 Norme sur les pertes et le bruit en fin du guide preacutesente en deacutetail les niveaux des pertes

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3 Les transformateurs de distribution et lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique

31 Deacutefinition des pertes et du rendement

Les pertes des transformateurs comprennent principalement deux types de pertes bull les pertes agrave vide (P0) appeleacutees aussi pertes ferbull les pertes dues agrave la charge (Pk) auxquelles srsquoajoutent les pertes suppleacute-

mentaires geacuteneacutereacutees par les harmoniques de courant

311 Pertes agrave vide (P0)Ces pertes se produisent degraves que le transformateur est sous-tension elles sont lieacutees agrave la tension du reacuteseau drsquoalimentation qui creacutee un flux dans le circuit magneacutetique du transformateur

Ces pertes deacutependent de la freacutequence et de la tension appliqueacutee

En pratique la freacutequence fondamentale des reacuteseaux eacutelectriques est tregraves stable et si lrsquoon considegravere que les harmoniques de tension cocircteacute primaire ont peu drsquoimpact les pertes agrave vide sont constantes et indeacutependantes de la charge du transformateur

Elles se composent

1 Des pertes par hysteacutereacutesisElles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique Ces pertes deacutependent du type de mateacuteriau utiliseacute pour la construc-tion du circuit magneacutetique du transformateur et sont proportionnelles agrave la freacutequence Les pertes par hysteacutereacutesis peuvent aujourdrsquohui ecirctre reacuteduites par le choix de tocircles agrave grains orienteacutes lamineacutees agrave froid et ameacutelioreacutees par un traitement laser Les pertes par hysteacutereacutesis sont responsables de plus de la moitieacute des pertes agrave vide (entre 50 et 60 ) 2 Des pertes par courant de Foucault3

Elles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique produisant des courants de Foucault Elles deacutependent de lrsquoeacutepaisseur de la reacutesistiviteacute du mateacuteriau et du carreacute de la freacutequenceLes pertes par courant de Foucault repreacutesentent 40 agrave 50 des pertes agrave vide

Les pertes agrave vide repreacutesentent en moyenne de 01 agrave 02 de la puissance assigneacutee Sn

Les pertes des transformateurs

comprennent principalement deux

types de pertes pertes agrave vide et pertes

dues agrave la charge

31 Deacutefinition des pertes et du rendement 8

311 Pertes agrave vide (P0) 8

312 Pertes dues agrave la charge (Pk) 9

313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux harmoniques et agrave la puissance reacuteactive 10

314 Reacutepartition des pertes 11

315 Rendement 11

32 Normes et reacuteglementations applicables 12

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie 13

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312 Pertes dues agrave la charge (Pk)Elles sont composeacutees des

1 Pertes Joule dans les conducteurs des enroulements primaires et secondaires (PDC )4

2 Pertes parasites par courants de Foucault dans les enroulements (PWE )5

3 Pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions (PCE )6 pertes parasites dans les parties structurelles

meacutetalliques (PSE)7

Toutes les pertes sont variables car elles sont proportionnelles au carreacute du courant traversant les enroulements

Ces pertes sont lieacutees au fondamental du courant ainsi qursquoaux courants harmoniques dont il faut connaicirctre le spectre et lrsquoamplitude des composantes car ces courants harmoniques vont accroicirctre les pertes dues agrave la charge

Les pertes JouleCes pertes apparaissent dans les enroulements du transformateur et sont causeacutees par la reacutesistance du conducteur Leur amplitude varie en fonction du carreacute du courant de charge et est proportionnelle agrave la reacutesistance du bobinage Elles peuvent ecirctre reacuteduites en augmentant la section du conducteur

Les pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements Le courant alternatif lieacute au fonctionnement du transformateur et parcourant le conducteur constituant les enroulements engendre un champ magneacutetique Ce champ va ecirctre agrave lrsquoorigine de courants induits appeleacutes courants de Foucault se superposant au courant de fonctionnement et provoquant des pertes ohmiques suppleacutementaires eacutegalement appeleacutes pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements (P

WE)

Les pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions et dans les parties structurelles meacutetalliquesUn conducteur parcouru par un courant alternatif va creacuteer un champ drsquoinduction variable geacuteneacuterant un courant induit dans les parties meacutetalliques constituant la structure du transformateur et produire des pertes suppleacutementaires ces pertes sont appeleacutees pertes parasites par courant de Foucault dans les parties structurelles meacutetalliques (PSE) et dans les connexions agrave fort courant (PCE)

Les pertes dues agrave la charge repreacutesentent en moyenne de 07 agrave 1 de la puissance nominale assigneacutee (agrave 100 de la charge)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

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3 Pheacutenomegravene deacutecouvert par le physicien franccedilais Leacuteon Foucault en 18514 P

DC Direct Current Loss

5 PWE

Winding Eddy Loss6 P

CE Connection Eddy loss

7 PSE Structural Stray Loss

ALS

MTO

M

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10010806

Rendement η ()

Cos ϕ

Facteur de charge ()

50

0

Figure 2 Scheacutema eacutequivalent des puissances

P

ϕ2

ϕ1

S2

Q2

Q1

S1

Q

Puissance utile neacutecessaire

Puissance apparente nominaledu transformateur

Consommation excessive de puissance reacuteactive Puissance du transformateur insuffisante

Figure 3 Allure du rendement pour diffeacuterents facteurs de charge et diffeacuterents cos ϕ 313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux

harmoniques et agrave la puissance reacuteactive

Ces pertes ont pour origine la puissance reacuteactive et les courants harmoniques

bull Sur la puissance reacuteactive

Comme le montre la figure ci-dessus on distingue trois puissances

bull la puissance apparente S (exprimeacutee en VA) celle appeleacutee par le transformateur sur le reacuteseau

Sa valeur est S = U x I x radic 3

bull la puissance active P (exprimeacutee en W) celle qui produit un travail utile consommeacute par lrsquoinstallation Pour caracteacuteriser la quantiteacute de puissance active dis-ponible on utilise la notion de facteur de puissance qui est eacutegal agrave PS et agrave cos ϕ La valeur de la puissance active est

P = U x I x radic 3 x cos ϕ

bull la puissance reacuteactive Q (exprimeacutee en VAR) qui est neacutecessaire pour magneacutetiser les circuits des charges tels les moteurs

Sa valeur est Q = U x I x radic 3 x sin ϕ

La puissance apparente est deacutefinie par la relation

S = radicP2 + Q2

La figure 2 preacutesente le scheacutema eacutequivalent des puis-sances et une consommation excessive de puissance reacuteactive due agrave un mauvais cos ϕ de lrsquoinstallation Pour une puissance active donneacutee plus la puissance reacuteactive sera importante et plus le transformateur sera chargeacute et srsquoeacutechauffera (entraicircnant une diminution de sa dureacutee de vie) Car crsquoest la valeur de la puissance apparente qui fixe la limite de puissance du transformateur

Drsquoautre part le rendement du transformateur varie avec le cos ϕ (voir figure 3)

Il est donc important de diminuer la puissance reacuteactive consommeacutee

bull Les courants harmoniquesLes courants harmoniques sont des courants dont la freacutequence est un multiple de la freacutequence principale provoqueacutes par les charges non lineacuteaires du reacuteseau (comme les ordinateurs certains variateurs de vitessehellip) Ils ont des reacutepercussions potentiellement dommageables pour les transformateurs non seulement ils augmentent les pertes en charge de faccedilon plus que proportionnelle agrave lrsquoaugmentation de la charge mais aussi la tempeacuterature des enroulements et de la structure meacutetallique du transformateur reacuteduisant ainsi la dureacutee de vie du transformateur

Les pertes geacuteneacutereacutees par les courants de Foucault deacutependent du carreacute de la freacutequence aussi la preacutesence drsquoharmoniques multiples de la freacutequence fondamentale de 50 Hz provoque des pertes suppleacutementaires dans les enroulements et les parties structurelles meacutetalliques

bull Le facteur K

Les courants harmoniques augmentent la valeur du courant efficace non seulement cela constitue deacutejagrave un facteur drsquoaccroissement des pertes mais en plus la freacutequence des composantes harmoniques accentue cet accroissement

Il y a deux approches pour eacutevaluer lrsquoeffet des courants harmoniques sur les pertes

bull Le facteur Kbull Le calcul des pertes qui neacutecessite la connaissance

preacutecise des caracteacuteristiques du transformateur utiliseacute

Le facteur K ou facteur de deacuteclassement est le plus souvent utiliseacute car il est simple agrave calculer et agrave exploiterIl permet drsquoestimer le taux du deacuteclassement du trans-formateur en calculant lrsquoinfluence des courants har-moniques sur la charge du transformateur On estime ainsi de combien un transformateur standard est deacute-classeacute pour que les pertes totales dues agrave une charge non lineacuteaire ne deacutepassent pas les pertes preacutevues pour la freacutequence fondamentale lors de la conception du transformateur

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LrsquoAnnexe 2 - Facteur K preacutesente plus en deacutetail le calcul du facteur K

bull Les solutions pour reacuteduire les pertes in-situ

Il nrsquoy a pas de moyens externes permettant de modifier les pertes agrave vide car elles ne sont pas influenceacutees par les charges Par contre deux moyens externes permettent de reacuteduire les pertes suppleacutementaires dues agrave la charge

1 Compensation reacuteactive (batterie de condensateurs)Cette compensation permet drsquooptimiser lrsquoutilisation de la puissance du transformateur et de reacuteduire les pertes agrave 50 Hz2 Filtrage des courants harmoniquesLes pertes srsquoaccroissent avec les courants harmoniques Il existe plusieurs solutions de reacuteduction des courants harmoniques dans les reacuteseaux pollueacutes connaissance et reacuteduction du taux drsquoharmoniques agrave la source utilisation drsquoinductances anti-harmoniques en seacuterie avec les condensateurs de compensation du reacuteactif insertion de filtre passif etou actifs etc

314 Reacutepartition des pertes

On peut reacutesumer la situation des pertes sous la forme du graphique ci-contre

Transfo agrave vide

Transfo en chargeagrave Inominal

(P0 = 10 agrave15 de PDC)

Transfo en chargeagrave 70 sansharmoniques

PWE + PCE + PSE ~ 60 agrave 70 de PDC

PWE + PCE + PSE ~ 10 de PDC

PDC

Augmentation de5 agrave 8 de PDC

Transfo en charge

agrave 70 avecharmoniquesde courants

PDC PDCPDC

P0 P0P0P0

Figure 4 Reacutepartition des pertes

AvecPCC pertes dues agrave la charge au courant assigneacute et agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

P0 pertes agrave vide agrave la tension et agrave la freacutequence assigneacutees

S puissance assigneacutee

α facteur de charge

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

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8 Lrsquoextrait de la norme NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo est reproduit avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets de la norme telle que diffuseacutee par AFNOR Editions ndash accessible via le site internet wwwboutiqueafnororg ndash ont valeur normative

315 Rendement

La norme NF EN 50464-18 indique que le rendement drsquoun transformateur de puissance est donneacute pour toute condition de charge par le rapport entre la puissance de sortie (P2) et la puissance drsquoentreacutee (P1)

η = P2P1

En raison de la difficulteacute agrave deacuteterminer le rendement par des mesures directes il peut ecirctre eacutevalueacute conventionnellement par les pertes garanties ou mesureacutees comme suit

α2 PCC + P0

α S + α2 PCC + P0

η = 100 1- ()( )

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Il est souhaitable que le transformateur soit exploiteacute agrave une charge raisonnable comprise entre 40 et 60 de sa charge nominale mais cela deacutepend aussi drsquoautres paramegravetres (cos ϕ tempeacuterature ambiante cycle de chargehellip)

Si la charge est supeacuterieure agrave 75 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une augmentation de sa puissance

A lrsquoinverse si la charge est infeacuterieure agrave 40 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une reacuteduction de sa puissance

Pertes (W) Rendement ()

Facteur de charge ()0 10 20 30

η

Ptot

Pcc

P0

40 50 60 70 80 90 100

η rendement Ptot pertes totalesPcc pertes en charge P0 pertes agrave vide

Figure 5 Allure de rendement en fonctionde la charge

La courbe typique du rendement drsquoun transforma-teur en fonction de sa charge est la suivante

Elle montre les pertes agrave vide les pertes dues agrave la charge le rendement en fonction de la charge du transformateur

Sur lrsquoexemple de la figure 5 le rendement est maximum pour un facteur de charge de 40

Quelque soit la puissance du transformateur il existe toujours un maximum entre le rendement et le facteur de charge en geacuteneacuteral aux alentours de 40-50 de la charge nominale

Puissance 1000 kVA

Pertes selon NF EN 50464-1

Niveau de pertes D0 Dk C0 Ck B0 Bk A0 Ak

Pertes agrave vide (W) 1400 1100 940 770

Pertes dues agrave la charge (W) 13000 10500 9000 7600

Charge 85 9861 9888 9904 9919

65 9884 9906 9920 9932

50 9898 9918 9930 9941

30 9906 9925 9936 9946

Exemple du rendement selon le niveau de pertes et la valeur de la charge

32 Normes et reacuteglementations applicablesActuellement il nrsquoexiste pas en Europe de reacuteglementation speacutecifique sur lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs de distri-bution De fait lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs est encore peu traiteacutee dans les leacutegislations europeacuteennes et franccedilaises

Drsquoun point de vue normatif diffeacuterents documents sont en vigueur et des certifications existent pour garantir la qualiteacute des transformateurs (ceux concernant en prioriteacute le domaine eacutenergeacutetique sont surligneacutes)

bull NF EN 50464-1 pour les transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-7 guide de charge pour les transformateurs immergeacutes

bull NF EN 50541-1 pour les transformateurs de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-12 guide de charge pour transformateurs de type sec

bull NF EN 60076-1 agrave 60076-5 transformateurs de puissance

bull NF EN 60076-11 transformateurs de puissance de type sec

La directive Eco-Design (dite directive ErP) (2009125EC adopteacutee en 2009) est conccedilue pour ameacuteliorer les performances environnementales et eacutenergeacutetiques sur le cycle de vie des eacutequipements lieacutees agrave lrsquoeacutenergie aussi elle permet drsquointroduire des exigences de performance eacutenergeacutetique

Dans ce cadre une application aux transformateurs de distribution est en cours de preacuteparation Lrsquoeacutetude preacuteparatoire est en consultation sur le site wwwecotransformerorg

Concernant la reacuteglementation sur les PCB se reacutefeacuterer au site du ministegravere wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

12 13

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergieLe dispositif des CEE (Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie) repose sur une obligation drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie imposeacutee aux fournisseurs drsquoeacutenergie (eacutelectriciteacute gaz fioul carburants hellip) Ces entreprises laquo obligeacutees raquo doivent soutenir ou accompagner des investissements ou actions drsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie chez les consommateurs sous peine de peacutenaliteacuteLes fournisseurs drsquoeacutenergie sont en capaciteacute de soutenir ou drsquoaider lrsquoachat drsquoeacutequipements figurant entre autres dans la liste des opeacuterations standardiseacutees par des maicirctres drsquoouvrage (entreprises industrielles ou tertiaire collectiviteacutes) Concregravetement cette aide se neacutegocie en amont de lrsquoinvestissement directement aupregraves des fournisseurs drsquoeacutenergie ou parfois aupregraves des fabricants drsquoeacutequipements

Trois actions standardiseacutees concernent les transformateurs

bull La fiche IN-UT-10 (industrie) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel pour les transformateurs de distribution industriels Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche RES-EL-01 (secteur reacuteseaux) - transformateur agrave haut rendement pour la distribution publique drsquoeacutelectriciteacute Elle concerne la laquo mise en place drsquoun transformateur de distribution publique agrave haut rendement (faibles pertes) triphaseacute immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 50 et 1 000 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie B0 ou A0 pour les pertes agrave vide Ck Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche BAT-EQ-21 (secteur des bacirctiments tertiaires) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes en charge

A noter que drsquoautres fiches sur

les transformateurs sont susceptibles drsquoecirctre ajouteacutees mais il nrsquoexiste pas encore

de fiches speacutecifiques aux transformateurs

de type secs

Estimation des kWh cumac

kWh cumac Pertes agrave vide Pertes en charge Coefficient de pertes en charge Total

2 transformateurs de 1 600 kVA 2 times 123 800 2 times 990 500 06 1 436 2002 transformateurs de 2 000 kVA 2 times 154 800 2 times 1 361 900 06 1 943 8801 transformateur de 2 500 kVA 1 times 179 500 1 times 1 671 500 06 1 182 400Total 736 700 6 376 300 06 4 562 480Pour en savoir plus Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

Extrait de la fiche IND-UT-10 pour calculer les kWh cumac

Pertes agrave vide Pertes en charge Mode de fonctionnement du site

Coefficient de pertes en charge

kVA C0 B0 A0 + Bk Ak x 1 x 8 02250 27 900 35 900 43 300 61 900 111 400 2 x 8 04315 31 000 40 900 50 800 80 500 136 200 3 x 8 avec arrecirct le WE 05400 39 600 50 800 61 900 92 900 167 100 3 x 8 sans arrecirct le WE 06500 47 000 60 700 73 000 111 400 198 100630 54 500 70 600 86 700 136 200 235 200800 27 200 43 300 61 900 433 300 557 200

1 000 37 100 57 000 78 000 495 300 668 6001250 49 500 74 300 99 100 619 100 804 8001 600 61 900 92 900 123 800 742 900 990 5002 000 74 300 111 400 154 800 990 500 1 361 9002 500 86 700 130 000 179 500 1 238 100 1 671 500

Exemple Une entreprise industrielle peut valoriser le remplacement de ses vieux transformateurs eacutenergivores par des transformateurs agrave pertes reacuteduitesLrsquoindustriel exploite 5 transformateurs deux de 1 600 kVA deux de 2 000 kVA et un de 2 500 kVA en 3x8 y compris le week-end Dans le cas de leur remplacement par des transformateurs de type A0Ak et selon la fiche IND-UT-10 cela correspond agrave 45 GWh cumac

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4 Le coucirct des pertes

41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14

411 Coucirct annuel des pertes 14

412 Coucirct global des transformateurs 15

413 La charge des transformateurs

profil de charge et pic de charge 15

42 Exemple 16

Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie

Exemple de charge pondeacutereacutee sur une journeacutee sur un site industriel

150

03

1

065

085

05

085

03

390 720 810 1320 1440Minutes

Fact

eur

de c

harg

e

Facteur de charge pondeacutereacutee 0724

K 2H x tsumt = 1440

t = 01440

41 Preacutesentation geacuteneacuterale

411 Coucirct annuel des pertes

Les pertes annuelles drsquoun transformateur peuvent ecirctre eacutevalueacutees selon la formule suivante

WPertes = (P0 + Pk times Ksup2 ) times 8760

Ougrave

WPertes montant des pertes annuelles en kWh

P0 pertes agrave vide en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

Pk pertes en charge en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

K facteur de charge pondeacutereacutee sur lrsquoanneacutee

8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)

Un exemple de calcul du facteur de charge pondeacutereacutee est donneacute ci-apregraves

Sur un jour (1440 minutes) le facteur de charge pondeacutereacutee est eacutegal agrave

Soit aussi

(032 x 150 + 0652 x 240 + 0852 x 330 + 052 x 90 + 0852 x 510 + 032 x 120) 1440

La charge pondeacutereacutee journaliegravere est alors de 0724

Charge pondeacutereacutee annuelle =

Pour eacutevaluer le coucirct des pertes durant la vie du transformateur il doit ecirctre actualiseacute en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le temps9

Ce calcul est appeleacute le laquo Coucirct Total Actualiseacute des pertes raquo Il est deacutefini par la formule suivante

Ougrave

C eacutevaluation du coucirct moyen par kWh par an

WPertes pertes annuelles

i taux drsquoactualisation

n dureacutee de vie espeacutereacutee du transformateur (en anneacutees)

K 2j x JsumJ = 365

J = 1365

CTApertes = C x WPertes x (1 + i)n - 1i x ( + i)n

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412 Coucirct global des transformateurs

Pour eacutevaluer eacuteconomiquement lrsquoachat drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie comme pour les pertes les coucircts drsquoachat drsquoexploitation et de maintenance doivent ecirctre compareacutes en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le tempsCertaines simplifications peuvent ecirctre retenues bien que chaque transformateur ait son propre coucirct drsquoachat et ses propres pertes les autres coucircts ceux drsquoinstallation de maintenance et drsquoeacutelimination en fin de vie sont sensiblement les mecircmes pour tous les types de transformateur de puissance identique et ils peuvent ne pas ecirctre pris en compte

Le calcul du coucirct global peut ecirctre calculeacute selon la formule suivante

CTO = PP + A times P0 + B times Pk

Lrsquoeacutevaluation des facteurs A et B est deacutelicate puisqursquoelle deacutepend de lrsquoeacutevolution du reacutegime de charge du transformateur du coucirct de lrsquoeacutenergie du taux drsquoactualisation et aussi de la dureacutee de vie eacuteconomique preacutevueIl faut aussi tenir compte de lrsquoeacutevolution de la charge et du prix de lrsquoeacutenergie durant la vie du transformateurTypiquement la fourchette de prix pour A se situe entre 6 et 10 euroW et pour B entre 1 et 4 euroWUne meacutethode relativement simple est proposeacutee ci-dessous permettant de deacuteterminer les facteurs A et B pour les transformateurs de distribution

A et B sont calculeacutes comme suit (pertes agrave vide actualiseacutees)

Ces formules reposent sur lrsquohypothegravese que le coucirct de lrsquoeacutenergie et le niveau de charge sont constants tout au long de la dureacutee de vie du transformateur

413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge

Les conditions de charge des transformateurs sont probablement le facteur le plus important agrave consideacuterer pour seacutelectionner de faccedilon optimale des transformateurs selon le niveau de pertesDe maniegravere geacuteneacuterale pour les transformateurs tregraves fortement chargeacutes lrsquoattention doit se porter sur les pertes dues agrave la charge et pour ceux agrave faible charge sur les pertes agrave videLes transformateurs dans le secteur industriel de lrsquoUE-27 ont une charge moyenne de 40 environ et un pic de charge de 70 10 En comparaison la charge moyenne des transformateurs chez les distributeurs drsquoeacutenergie eacutelectrique dans lrsquoUE-27 est drsquoenviron 20 et le pic de charge est de 55 environ

9 Le concept du laquo coucirct de lrsquoargent raquo signifie qursquoune somme drsquoargent disponible immeacutediatement a une valeur plus importante que la mecircme somme disponible plus tard10 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

14 15

(1 + i)n - 1i x (1 + i)nA = CkWh x 8760 x

(1 + i)n - 1i x ( 1 + i)nB = CkWh x 8760 x k2 x

Ougrave

i taux drsquoactualisation ( an)n dureacutee de vie (en anneacutee)C kWh prix du kWh (eurokWh) 8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)k facteur de charge pondeacutereacute sur lrsquoanneacutee

OugravePP coucirct drsquoachat du transformateurA coucirct des pertes agrave vide (exprimeacute en euroW)P0 total des pertes agrave vide garanties B coucirct des pertes dues agrave la charge (exprimeacute en euroW)Pk pertes dues agrave la charge garanties

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42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 2: Ademe Transfo WEB

1 Introduction11 Contexte 412 Le parc et le marcheacute des transformateurs de distribution en France et en Europe 5

2 Les transformateurs de distribution deacutefinition types et principales caracteacuteristiques21 Deacutefinition 622 Types 723 Principales caracteacuteristiques 7

3 Les transformateurs de distribution et lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique31 Deacutefinition des pertes et du rendement 8311 Pertes agrave vide (P0) 8312 Pertes dues agrave la charge (Pk) 9313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux harmoniques et agrave la puissance reacuteactive10314 Reacutepartition des pertes 10315 Rendement 1032 Normes et reacuteglementations applicables 1233 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie 13

4 Le coucirct des pertes41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14411 Coucirct annuel des pertes 14412 Coucirct global des transformateurs15413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge 1542 Exemple 16

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs51 La maintenance des transformateurs 1752 La reacuteparation des transformateurs 18

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites61 Caracteacuteristique thermique 1962 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

7 Conclusion 20

8 Annexes81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit 2182 Annexe 2 - Facteur K 23821 Deacutetermination du facteur K 23822 Exemple de calcul du facteur K 2383 Annexe 3 - Eleacutements de technologie 24831 Les technologies traditionnelles 24832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 2484 Annexe 4 - Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

Som

mai

re

Utiliser ce guide pour seacutelectionner des transformateurs performants optimiser lrsquoinvestissement global et diminuer les eacutemissions de gaz agrave effet de serre 1 Ce guide preacutesente les transformateurs de distribution eacutelectriques de puissance infeacuterieure ou eacutegale agrave 2500 kVA utiliseacutes dans les reacuteseaux moyenne et basse tensions dans le but de tendre vers un optimum environnemental et technico- eacuteconomique

Il se lit en choisissant une entreacutee dans la table des matiegraveres ou au fil des pages

Les transformateurs des eacuteleacutements essentiels du reacuteseau eacutelectrique Malgreacute de tregraves bonnes performances des gains eacutenergeacutetiques sont encore possibles2 Ils preacutesentent de tregraves bons rendements (supeacuterieur agrave 98 ) mais eacutetant donneacute leur fonctionnement permanent lrsquoimpact de leurs pertes est relativement important

Connaicirctre les transformateurs de distribution

3 Les transformateurs se classent en deux cateacutegories transformateurs de type secs (refroidis agrave lrsquoair) et transformateurs immergeacutes (dans un dieacutelectrique liquide)

Pour chaque cateacutegorie de transformateurs il existe des normes avec des tables indiquant les niveaux des pertes agrave vide des pertes dues agrave la charge en fonction de la puissance

SynthegraveSedu guideConnaicirctre pour agir

entreprises

transformateur de distribution et EacuteConomies drsquoEacutenergie

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Connaicirctre ses besoins de puissance pour choisir le transformateur adapteacuteUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes en charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres paramegravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

Une attention particuliegravere doit ecirctre porteacutee agrave la nature des charges du transformateur Il est souhaitable de reacuteduire les courants harmoniques et la puissance reacuteactive pour limiter les eacutechauffements les pertes et les eacuteventuels dommages aux transformateurs

Selon les normes actuelles les transformateurs agrave pertes agrave vide reacuteduites sont aussi les plus silencieux crsquoest eacutegalement un paramegravetre de choix agrave prendre en compte

Investir dans un transformateur de distribution eacuteconome en eacutenergie

Pour estimer le coucirct drsquoun transformateur il ne faut pas se baser uniquement sur le coucirct drsquoachat variable selon les performances (pertes puissanceshellip) mais aussi sur le coucirct de fonctionnement

Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peuvent constituer un moyen pour financer un transformateur agrave pertes reacuteduites

Assurer la maintenance des transformateurs

Un transformateur exploiteacute dans des conditions normales a une dureacutee de vie moyenne de 20 agrave 30 ans Une maintenance reacuteguliegravere permet de srsquoassurer drsquoune disponibiliteacute des transformateurs

Aussi un plan de maintenance annuel doit ecirctre mis en place et respecteacute pour eacuteviter des surcoucircts et le vieillissement preacutematureacute des transformateurs

En cas de dommage drsquoun transformateur il faut comparer le coucirct de sa reacuteparation agrave celui drsquoun transformateur neuf agrave pertes reacuteduites

4

5

6

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

1 Introduction

11 Contexte

bull Les transformateurs de distribution eacutelectrique des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques publics et priveacutes

Les transformateurs de distribution (TD) constituent un eacuteleacutement essentiel du reacuteseau eacutelectrique Ils sont utiliseacutes pour changer une tension en geacuteneacuteral de 10 kV agrave 36 kV en une autre tension preacutefeacuterentielle de 400 agrave 440 V utilisable par le secteur reacutesidentiel le tertiaire et lrsquoindustrie

bull De bonnes performances eacutenergeacutetiques mais une marge de progregraves certaine

Aujourdrsquohui dans lrsquoUnion europeacuteenne (UE) les pertes1 des transformateurs de distribution et industriels repreacutesentent quasiment 40 TWh (de fait 399 TWh) par an les pertes du reacuteseau eacutelectrique totalisant 200 TWh reacuteparties ainsi

bull environ 225 TWh de pertes dans les transformateurs de distributionbull environ 122 TWh dans les transformateurs de distribution utiliseacutes

en industriebull environ 52 TWh dues agrave la puissance reacuteactive et aux harmoniques

ous transformateurs confondus

En France les pertes annuelles des transformateurs de lrsquoindustrie sont estimeacutees agrave 22 TWh La diffusion de transformateur agrave pertes reacuteduites est relativement faible Crsquoest pourquoi il existe un gisement technique drsquoeacuteco-nomie drsquoeacutenergie de lrsquoordre de 11 TWh2Les transformateurs ont de bonnes performances avec des rendements supeacuterieurs agrave 98 Neacuteanmoins eacutetant donneacute leur fonctionnement continu 24h24h une augmentation de leur efficaciteacute permet des eacuteconomies importantes le remplacement de tous les transformateurs de lrsquoUE par les eacutequipements les plus efficaces permettrait une reacuteduction des pertes drsquoenviron 185 TWhan (soit avec un coucirct estimeacute de 10 c eurokWh pour lrsquoUE une eacuteconomie de 185 milliards drsquoeuros)

Ce guide preacutesente outre des donneacutees techniques sur les transformateurs de distribution des recommandations sur les bonnes pratiques agrave mettre en oeuvre pour choisir et utiliser un transformateur de distributionCe guide est baseacute sur les eacutetudes mandateacutees par la commission europeacuteenne (projet SEEDT en 2005 et lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO en 2011 pour la directive ErP sur les transformateurs de distribution) et les normes (CENELEC UTE-AFNOR)

11 Le contexte des eacuteconomies drsquoeacutenergie et des transformateurs 4

bull Les transformateurs de distribution eacutelectrique des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques 4

bull De bonnes performances eacutenergeacutetiques mais une marge de progregraves certaine 4

12 Le parc et le marcheacute des transformateurs de distribution en France et en Europe 5

Schn

eide

r Ele

ctric

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12 Le parc et le marcheacute des transformateurs de distribution en France et en Europe1

Environ 47 millions de transformateurs sont en fonction-nement dans les 27 Pays membres de lrsquoUnion europeacuteenne (UEndash27)

bull 37 millions de transformateurs de distribution dont la puissance moyenne varie selon les pays de 116 agrave 369 kVA

bull 1 million de transformateurs de distribution utiliseacutes en industrie dont - 800 000 transformateurs immergeacutes leur puissance

moyenne eacutetant drsquoenviron 400 kVA- 200 000 transformateurs secs avec une puissance

moyenne drsquoenviron 800 kVA - En France les transformateurs industriels repreacutesentent

environ 250 000 uniteacutes

En Europe plus des 23 des transformateurs installeacutes ont une puissance moyenne infeacuterieure agrave 400 kVA (la plupart se situant autour de 250 kVA avec un faible pourcentage autour de 315 kVA) Les uniteacutes les plus reacutecentes sont plus puissantes

Le marcheacute annuel europeacuteen est drsquoenviron 140 000 trans-formateurs en nouvelles installations et en remplacement de ceux en fonctionnement soit environ 3 du parc existant

Parc en fonctionnement UE-27 Marcheacute UE-27

Nombre MVA Nombre MVA

Distribution (TD agrave huile)

lt 400 kVA 2 688 000 313 000 56 000 7 000

ge 400 kVA et le 630 kVA 861 000 441 000 23 000 12 000

gt 630 kVA 127 000 157 000 6 000 8 000

Total 3 676 000 911 000 85 000 27 000

Industriels (TD agrave huile)

lt 400 kVA 493 000 66 000 24 000 3 000

ge 400 kVA et le 630 181 000 90 000 8 000 4 000

gt 630 kVA 127 000 173 000 6 000 8 000

Total 802 000 330 000 38 000 15 000

Industriels (TD secs)

lt 400 kVA 39 000 13 000 3 000 1 000

ge 400 kVA et le 630 69 000 41 000 5 000 3 000

gt 630 kVA 66 000 90 000 8 000 11 000

Total 174 000 144 000 16 000 14 000

Total 4 652 000 1 385 000 139 000 56 000

le marcheacute de la distribution des TD secs est relativement moins important que celui des transformateurs immergeacutesSur le tableau 1 il apparaicirct clairement que les uniteacutes de faible puissance sont majoritairement preacutesentes dans le secteur de la distribution Parallegravelement les transformateurs de forte puissance sont preacutedominants dans le secteur industriel notamment pour les transformateurs secs

Tableau 1 Parc et marcheacute des transformateurs de distribution et industriel dans lrsquoUE en 20041

1 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution2 Etude Ceren 2010 mandateacutee par EDF RTE et lrsquoADEME

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

4 5

Schn

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r Ele

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2 Les transformateurs de distribution deacutefinition types et principales caracteacuteristiques

21 Deacutefinition

Les transformateurs de distribution sont utiliseacutes dans les reacuteseaux eacutelectriques pour modifier et adapter les valeurs de tensions et courants

Scheacutematiquement un transformateur se compose de deux enroulements (ou bobines) entourant un circuit magneacutetique (appeleacute encore noyau constitueacute de tocircles magneacutetiques) Chaque bobine est constitueacutee de spires mateacuteriau conducteur comme le cuivre ou lrsquoaluminium isoleacutees les unes des autres Elles sont relieacutees agrave deux reacuteseaux eacutelectriques de tension diffeacuterenteUne tension alternative drsquoalimentation aux bornes de lrsquoune des bobines geacutenegravere un flux magneacutetique variable (et donc une induction magneacutetique dans le circuit magneacutetique) creacuteant une tension induite dans lrsquoautre bobine Le rapport de tension entre les deux bobines est proportionnel aux nombres de spires

Pour les transformateurs

immergeacutes et les transformateurs de type

secs des normes speacutecifiques indiquent les niveaux de

pertes en fonction de la puissance

21 Deacutefinition 6

22 Types 7

23 Principales caracteacuteristiques 7

Figure 1 Scheacutema de principe drsquoun transformateur abaisseur

DEUX CIRCUITS ELECTRIQUES

UN CIRCUIT MAGNETIQUE

U1

I1

U2

I2

Circuit dalimentation(haute tension) Circuit

drsquoutilisation(basse tension)

N1 N

2

Enroulementprimaire

Enroulementsecondaire

SIEM

ENS

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Un transformateur fonctionne en geacuteneacuteral agrave une charge t infeacuterieure agrave 100 soit une puissance effective deacutefinie par

Peff (en kW) = k x Sn (en kVA) x cos ϕ

k repreacutesente le facteur de charge t sous la tension en charge

23 Principales caracteacuteristiques

Les transformateurs se caracteacuterisent par

bull la reacutefeacuterence normative (NF EN 50464-1 par exemple)bull la freacutequence assigneacuteebull le type (immergeacute sec) et la nature du dieacutelectrique en

cas de transformateur immergeacute (huile mineacuterale ester naturel ou de synthegravese ou autre)

bull leur puissance assigneacutee exprimeacutee en kVA (Sn)bull les tensions assigneacutees primaire et secondaire (Ur) (parfois appeleacutees aussi nominales) exprimeacutees en V bull le couplage et lrsquoindice horairebull les niveaux de pertes dues agrave la charge (Pk en W)bull le niveau de pertes agrave vide (P0 en W)

bull le type de refroidissement - pour les transformateurs de type secs AN (air naturel)

AF (air forceacute) - pour les transformateurs immergeacutes ONAN (huile

naturel air naturel)bull lrsquoanneacutee de constructionbull les reacuteparations eacuteventuelles effectueacutees (rebobinage

huile dieacutelectriquehellip)bull les eacutequipements de protection (relais de protection

capots de protectionhellip)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

6 7

22 Types

Pour les transformateurs immergeacutes et les transformateurs de type secs les normes indiquent les niveaux des pertes en fonction de la puissance

La norme NF EN 50464-1 relative aux transformateurs immergeacutes drsquoune puissance comprise entre 50 et 2500 kVA distingue quatre niveaux de pertes dues agrave la charge (Ak - Bk - Ck et Dk) et cinq niveaux de pertes agrave vide (A0 - B0 - C0 - D0 et E0) Les pertes Ak (respectivement A0) sont plus faibles que les pertes Dk (respectivement E0) Pour une mecircme utilisation un transformateur A0-Ak est plus efficace qursquoun transformateur E0-Dk qui preacutesente les plus grandes pertes

La norme NF EN 50541-1 relative aux transformateurs de types secs drsquoune puissance comprise entre 100 et 3150 kVA distingue deux niveaux de pertes dues agrave la charge (Ak Bk) et trois niveaux de pertes agrave vide (A0 B0 C0)

Les pertes Ak (respectivement A0) sont plus faibles que les pertes Bk (respectivement C0) Pour une mecircme utilisation un transformateur A0-Ak est plus efficace qursquoun transformateur C0-Bk qui preacutesente les plus grandes pertes

Les transformateurs de types secs ont des pertes supeacute-rieures agrave celles des transformateurs immergeacutes

Lrsquoannexe 1 Norme sur les pertes et le bruit en fin du guide preacutesente en deacutetail les niveaux des pertes

Schn

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3 Les transformateurs de distribution et lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique

31 Deacutefinition des pertes et du rendement

Les pertes des transformateurs comprennent principalement deux types de pertes bull les pertes agrave vide (P0) appeleacutees aussi pertes ferbull les pertes dues agrave la charge (Pk) auxquelles srsquoajoutent les pertes suppleacute-

mentaires geacuteneacutereacutees par les harmoniques de courant

311 Pertes agrave vide (P0)Ces pertes se produisent degraves que le transformateur est sous-tension elles sont lieacutees agrave la tension du reacuteseau drsquoalimentation qui creacutee un flux dans le circuit magneacutetique du transformateur

Ces pertes deacutependent de la freacutequence et de la tension appliqueacutee

En pratique la freacutequence fondamentale des reacuteseaux eacutelectriques est tregraves stable et si lrsquoon considegravere que les harmoniques de tension cocircteacute primaire ont peu drsquoimpact les pertes agrave vide sont constantes et indeacutependantes de la charge du transformateur

Elles se composent

1 Des pertes par hysteacutereacutesisElles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique Ces pertes deacutependent du type de mateacuteriau utiliseacute pour la construc-tion du circuit magneacutetique du transformateur et sont proportionnelles agrave la freacutequence Les pertes par hysteacutereacutesis peuvent aujourdrsquohui ecirctre reacuteduites par le choix de tocircles agrave grains orienteacutes lamineacutees agrave froid et ameacutelioreacutees par un traitement laser Les pertes par hysteacutereacutesis sont responsables de plus de la moitieacute des pertes agrave vide (entre 50 et 60 ) 2 Des pertes par courant de Foucault3

Elles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique produisant des courants de Foucault Elles deacutependent de lrsquoeacutepaisseur de la reacutesistiviteacute du mateacuteriau et du carreacute de la freacutequenceLes pertes par courant de Foucault repreacutesentent 40 agrave 50 des pertes agrave vide

Les pertes agrave vide repreacutesentent en moyenne de 01 agrave 02 de la puissance assigneacutee Sn

Les pertes des transformateurs

comprennent principalement deux

types de pertes pertes agrave vide et pertes

dues agrave la charge

31 Deacutefinition des pertes et du rendement 8

311 Pertes agrave vide (P0) 8

312 Pertes dues agrave la charge (Pk) 9

313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux harmoniques et agrave la puissance reacuteactive 10

314 Reacutepartition des pertes 11

315 Rendement 11

32 Normes et reacuteglementations applicables 12

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie 13

Gim

eacutelec

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312 Pertes dues agrave la charge (Pk)Elles sont composeacutees des

1 Pertes Joule dans les conducteurs des enroulements primaires et secondaires (PDC )4

2 Pertes parasites par courants de Foucault dans les enroulements (PWE )5

3 Pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions (PCE )6 pertes parasites dans les parties structurelles

meacutetalliques (PSE)7

Toutes les pertes sont variables car elles sont proportionnelles au carreacute du courant traversant les enroulements

Ces pertes sont lieacutees au fondamental du courant ainsi qursquoaux courants harmoniques dont il faut connaicirctre le spectre et lrsquoamplitude des composantes car ces courants harmoniques vont accroicirctre les pertes dues agrave la charge

Les pertes JouleCes pertes apparaissent dans les enroulements du transformateur et sont causeacutees par la reacutesistance du conducteur Leur amplitude varie en fonction du carreacute du courant de charge et est proportionnelle agrave la reacutesistance du bobinage Elles peuvent ecirctre reacuteduites en augmentant la section du conducteur

Les pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements Le courant alternatif lieacute au fonctionnement du transformateur et parcourant le conducteur constituant les enroulements engendre un champ magneacutetique Ce champ va ecirctre agrave lrsquoorigine de courants induits appeleacutes courants de Foucault se superposant au courant de fonctionnement et provoquant des pertes ohmiques suppleacutementaires eacutegalement appeleacutes pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements (P

WE)

Les pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions et dans les parties structurelles meacutetalliquesUn conducteur parcouru par un courant alternatif va creacuteer un champ drsquoinduction variable geacuteneacuterant un courant induit dans les parties meacutetalliques constituant la structure du transformateur et produire des pertes suppleacutementaires ces pertes sont appeleacutees pertes parasites par courant de Foucault dans les parties structurelles meacutetalliques (PSE) et dans les connexions agrave fort courant (PCE)

Les pertes dues agrave la charge repreacutesentent en moyenne de 07 agrave 1 de la puissance nominale assigneacutee (agrave 100 de la charge)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

8 9

3 Pheacutenomegravene deacutecouvert par le physicien franccedilais Leacuteon Foucault en 18514 P

DC Direct Current Loss

5 PWE

Winding Eddy Loss6 P

CE Connection Eddy loss

7 PSE Structural Stray Loss

ALS

MTO

M

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10010806

Rendement η ()

Cos ϕ

Facteur de charge ()

50

0

Figure 2 Scheacutema eacutequivalent des puissances

P

ϕ2

ϕ1

S2

Q2

Q1

S1

Q

Puissance utile neacutecessaire

Puissance apparente nominaledu transformateur

Consommation excessive de puissance reacuteactive Puissance du transformateur insuffisante

Figure 3 Allure du rendement pour diffeacuterents facteurs de charge et diffeacuterents cos ϕ 313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux

harmoniques et agrave la puissance reacuteactive

Ces pertes ont pour origine la puissance reacuteactive et les courants harmoniques

bull Sur la puissance reacuteactive

Comme le montre la figure ci-dessus on distingue trois puissances

bull la puissance apparente S (exprimeacutee en VA) celle appeleacutee par le transformateur sur le reacuteseau

Sa valeur est S = U x I x radic 3

bull la puissance active P (exprimeacutee en W) celle qui produit un travail utile consommeacute par lrsquoinstallation Pour caracteacuteriser la quantiteacute de puissance active dis-ponible on utilise la notion de facteur de puissance qui est eacutegal agrave PS et agrave cos ϕ La valeur de la puissance active est

P = U x I x radic 3 x cos ϕ

bull la puissance reacuteactive Q (exprimeacutee en VAR) qui est neacutecessaire pour magneacutetiser les circuits des charges tels les moteurs

Sa valeur est Q = U x I x radic 3 x sin ϕ

La puissance apparente est deacutefinie par la relation

S = radicP2 + Q2

La figure 2 preacutesente le scheacutema eacutequivalent des puis-sances et une consommation excessive de puissance reacuteactive due agrave un mauvais cos ϕ de lrsquoinstallation Pour une puissance active donneacutee plus la puissance reacuteactive sera importante et plus le transformateur sera chargeacute et srsquoeacutechauffera (entraicircnant une diminution de sa dureacutee de vie) Car crsquoest la valeur de la puissance apparente qui fixe la limite de puissance du transformateur

Drsquoautre part le rendement du transformateur varie avec le cos ϕ (voir figure 3)

Il est donc important de diminuer la puissance reacuteactive consommeacutee

bull Les courants harmoniquesLes courants harmoniques sont des courants dont la freacutequence est un multiple de la freacutequence principale provoqueacutes par les charges non lineacuteaires du reacuteseau (comme les ordinateurs certains variateurs de vitessehellip) Ils ont des reacutepercussions potentiellement dommageables pour les transformateurs non seulement ils augmentent les pertes en charge de faccedilon plus que proportionnelle agrave lrsquoaugmentation de la charge mais aussi la tempeacuterature des enroulements et de la structure meacutetallique du transformateur reacuteduisant ainsi la dureacutee de vie du transformateur

Les pertes geacuteneacutereacutees par les courants de Foucault deacutependent du carreacute de la freacutequence aussi la preacutesence drsquoharmoniques multiples de la freacutequence fondamentale de 50 Hz provoque des pertes suppleacutementaires dans les enroulements et les parties structurelles meacutetalliques

bull Le facteur K

Les courants harmoniques augmentent la valeur du courant efficace non seulement cela constitue deacutejagrave un facteur drsquoaccroissement des pertes mais en plus la freacutequence des composantes harmoniques accentue cet accroissement

Il y a deux approches pour eacutevaluer lrsquoeffet des courants harmoniques sur les pertes

bull Le facteur Kbull Le calcul des pertes qui neacutecessite la connaissance

preacutecise des caracteacuteristiques du transformateur utiliseacute

Le facteur K ou facteur de deacuteclassement est le plus souvent utiliseacute car il est simple agrave calculer et agrave exploiterIl permet drsquoestimer le taux du deacuteclassement du trans-formateur en calculant lrsquoinfluence des courants har-moniques sur la charge du transformateur On estime ainsi de combien un transformateur standard est deacute-classeacute pour que les pertes totales dues agrave une charge non lineacuteaire ne deacutepassent pas les pertes preacutevues pour la freacutequence fondamentale lors de la conception du transformateur

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LrsquoAnnexe 2 - Facteur K preacutesente plus en deacutetail le calcul du facteur K

bull Les solutions pour reacuteduire les pertes in-situ

Il nrsquoy a pas de moyens externes permettant de modifier les pertes agrave vide car elles ne sont pas influenceacutees par les charges Par contre deux moyens externes permettent de reacuteduire les pertes suppleacutementaires dues agrave la charge

1 Compensation reacuteactive (batterie de condensateurs)Cette compensation permet drsquooptimiser lrsquoutilisation de la puissance du transformateur et de reacuteduire les pertes agrave 50 Hz2 Filtrage des courants harmoniquesLes pertes srsquoaccroissent avec les courants harmoniques Il existe plusieurs solutions de reacuteduction des courants harmoniques dans les reacuteseaux pollueacutes connaissance et reacuteduction du taux drsquoharmoniques agrave la source utilisation drsquoinductances anti-harmoniques en seacuterie avec les condensateurs de compensation du reacuteactif insertion de filtre passif etou actifs etc

314 Reacutepartition des pertes

On peut reacutesumer la situation des pertes sous la forme du graphique ci-contre

Transfo agrave vide

Transfo en chargeagrave Inominal

(P0 = 10 agrave15 de PDC)

Transfo en chargeagrave 70 sansharmoniques

PWE + PCE + PSE ~ 60 agrave 70 de PDC

PWE + PCE + PSE ~ 10 de PDC

PDC

Augmentation de5 agrave 8 de PDC

Transfo en charge

agrave 70 avecharmoniquesde courants

PDC PDCPDC

P0 P0P0P0

Figure 4 Reacutepartition des pertes

AvecPCC pertes dues agrave la charge au courant assigneacute et agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

P0 pertes agrave vide agrave la tension et agrave la freacutequence assigneacutees

S puissance assigneacutee

α facteur de charge

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

10 11

8 Lrsquoextrait de la norme NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo est reproduit avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets de la norme telle que diffuseacutee par AFNOR Editions ndash accessible via le site internet wwwboutiqueafnororg ndash ont valeur normative

315 Rendement

La norme NF EN 50464-18 indique que le rendement drsquoun transformateur de puissance est donneacute pour toute condition de charge par le rapport entre la puissance de sortie (P2) et la puissance drsquoentreacutee (P1)

η = P2P1

En raison de la difficulteacute agrave deacuteterminer le rendement par des mesures directes il peut ecirctre eacutevalueacute conventionnellement par les pertes garanties ou mesureacutees comme suit

α2 PCC + P0

α S + α2 PCC + P0

η = 100 1- ()( )

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Il est souhaitable que le transformateur soit exploiteacute agrave une charge raisonnable comprise entre 40 et 60 de sa charge nominale mais cela deacutepend aussi drsquoautres paramegravetres (cos ϕ tempeacuterature ambiante cycle de chargehellip)

Si la charge est supeacuterieure agrave 75 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une augmentation de sa puissance

A lrsquoinverse si la charge est infeacuterieure agrave 40 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une reacuteduction de sa puissance

Pertes (W) Rendement ()

Facteur de charge ()0 10 20 30

η

Ptot

Pcc

P0

40 50 60 70 80 90 100

η rendement Ptot pertes totalesPcc pertes en charge P0 pertes agrave vide

Figure 5 Allure de rendement en fonctionde la charge

La courbe typique du rendement drsquoun transforma-teur en fonction de sa charge est la suivante

Elle montre les pertes agrave vide les pertes dues agrave la charge le rendement en fonction de la charge du transformateur

Sur lrsquoexemple de la figure 5 le rendement est maximum pour un facteur de charge de 40

Quelque soit la puissance du transformateur il existe toujours un maximum entre le rendement et le facteur de charge en geacuteneacuteral aux alentours de 40-50 de la charge nominale

Puissance 1000 kVA

Pertes selon NF EN 50464-1

Niveau de pertes D0 Dk C0 Ck B0 Bk A0 Ak

Pertes agrave vide (W) 1400 1100 940 770

Pertes dues agrave la charge (W) 13000 10500 9000 7600

Charge 85 9861 9888 9904 9919

65 9884 9906 9920 9932

50 9898 9918 9930 9941

30 9906 9925 9936 9946

Exemple du rendement selon le niveau de pertes et la valeur de la charge

32 Normes et reacuteglementations applicablesActuellement il nrsquoexiste pas en Europe de reacuteglementation speacutecifique sur lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs de distri-bution De fait lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs est encore peu traiteacutee dans les leacutegislations europeacuteennes et franccedilaises

Drsquoun point de vue normatif diffeacuterents documents sont en vigueur et des certifications existent pour garantir la qualiteacute des transformateurs (ceux concernant en prioriteacute le domaine eacutenergeacutetique sont surligneacutes)

bull NF EN 50464-1 pour les transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-7 guide de charge pour les transformateurs immergeacutes

bull NF EN 50541-1 pour les transformateurs de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-12 guide de charge pour transformateurs de type sec

bull NF EN 60076-1 agrave 60076-5 transformateurs de puissance

bull NF EN 60076-11 transformateurs de puissance de type sec

La directive Eco-Design (dite directive ErP) (2009125EC adopteacutee en 2009) est conccedilue pour ameacuteliorer les performances environnementales et eacutenergeacutetiques sur le cycle de vie des eacutequipements lieacutees agrave lrsquoeacutenergie aussi elle permet drsquointroduire des exigences de performance eacutenergeacutetique

Dans ce cadre une application aux transformateurs de distribution est en cours de preacuteparation Lrsquoeacutetude preacuteparatoire est en consultation sur le site wwwecotransformerorg

Concernant la reacuteglementation sur les PCB se reacutefeacuterer au site du ministegravere wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

12 13

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergieLe dispositif des CEE (Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie) repose sur une obligation drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie imposeacutee aux fournisseurs drsquoeacutenergie (eacutelectriciteacute gaz fioul carburants hellip) Ces entreprises laquo obligeacutees raquo doivent soutenir ou accompagner des investissements ou actions drsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie chez les consommateurs sous peine de peacutenaliteacuteLes fournisseurs drsquoeacutenergie sont en capaciteacute de soutenir ou drsquoaider lrsquoachat drsquoeacutequipements figurant entre autres dans la liste des opeacuterations standardiseacutees par des maicirctres drsquoouvrage (entreprises industrielles ou tertiaire collectiviteacutes) Concregravetement cette aide se neacutegocie en amont de lrsquoinvestissement directement aupregraves des fournisseurs drsquoeacutenergie ou parfois aupregraves des fabricants drsquoeacutequipements

Trois actions standardiseacutees concernent les transformateurs

bull La fiche IN-UT-10 (industrie) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel pour les transformateurs de distribution industriels Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche RES-EL-01 (secteur reacuteseaux) - transformateur agrave haut rendement pour la distribution publique drsquoeacutelectriciteacute Elle concerne la laquo mise en place drsquoun transformateur de distribution publique agrave haut rendement (faibles pertes) triphaseacute immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 50 et 1 000 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie B0 ou A0 pour les pertes agrave vide Ck Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche BAT-EQ-21 (secteur des bacirctiments tertiaires) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes en charge

A noter que drsquoautres fiches sur

les transformateurs sont susceptibles drsquoecirctre ajouteacutees mais il nrsquoexiste pas encore

de fiches speacutecifiques aux transformateurs

de type secs

Estimation des kWh cumac

kWh cumac Pertes agrave vide Pertes en charge Coefficient de pertes en charge Total

2 transformateurs de 1 600 kVA 2 times 123 800 2 times 990 500 06 1 436 2002 transformateurs de 2 000 kVA 2 times 154 800 2 times 1 361 900 06 1 943 8801 transformateur de 2 500 kVA 1 times 179 500 1 times 1 671 500 06 1 182 400Total 736 700 6 376 300 06 4 562 480Pour en savoir plus Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

Extrait de la fiche IND-UT-10 pour calculer les kWh cumac

Pertes agrave vide Pertes en charge Mode de fonctionnement du site

Coefficient de pertes en charge

kVA C0 B0 A0 + Bk Ak x 1 x 8 02250 27 900 35 900 43 300 61 900 111 400 2 x 8 04315 31 000 40 900 50 800 80 500 136 200 3 x 8 avec arrecirct le WE 05400 39 600 50 800 61 900 92 900 167 100 3 x 8 sans arrecirct le WE 06500 47 000 60 700 73 000 111 400 198 100630 54 500 70 600 86 700 136 200 235 200800 27 200 43 300 61 900 433 300 557 200

1 000 37 100 57 000 78 000 495 300 668 6001250 49 500 74 300 99 100 619 100 804 8001 600 61 900 92 900 123 800 742 900 990 5002 000 74 300 111 400 154 800 990 500 1 361 9002 500 86 700 130 000 179 500 1 238 100 1 671 500

Exemple Une entreprise industrielle peut valoriser le remplacement de ses vieux transformateurs eacutenergivores par des transformateurs agrave pertes reacuteduitesLrsquoindustriel exploite 5 transformateurs deux de 1 600 kVA deux de 2 000 kVA et un de 2 500 kVA en 3x8 y compris le week-end Dans le cas de leur remplacement par des transformateurs de type A0Ak et selon la fiche IND-UT-10 cela correspond agrave 45 GWh cumac

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4 Le coucirct des pertes

41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14

411 Coucirct annuel des pertes 14

412 Coucirct global des transformateurs 15

413 La charge des transformateurs

profil de charge et pic de charge 15

42 Exemple 16

Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie

Exemple de charge pondeacutereacutee sur une journeacutee sur un site industriel

150

03

1

065

085

05

085

03

390 720 810 1320 1440Minutes

Fact

eur

de c

harg

e

Facteur de charge pondeacutereacutee 0724

K 2H x tsumt = 1440

t = 01440

41 Preacutesentation geacuteneacuterale

411 Coucirct annuel des pertes

Les pertes annuelles drsquoun transformateur peuvent ecirctre eacutevalueacutees selon la formule suivante

WPertes = (P0 + Pk times Ksup2 ) times 8760

Ougrave

WPertes montant des pertes annuelles en kWh

P0 pertes agrave vide en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

Pk pertes en charge en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

K facteur de charge pondeacutereacutee sur lrsquoanneacutee

8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)

Un exemple de calcul du facteur de charge pondeacutereacutee est donneacute ci-apregraves

Sur un jour (1440 minutes) le facteur de charge pondeacutereacutee est eacutegal agrave

Soit aussi

(032 x 150 + 0652 x 240 + 0852 x 330 + 052 x 90 + 0852 x 510 + 032 x 120) 1440

La charge pondeacutereacutee journaliegravere est alors de 0724

Charge pondeacutereacutee annuelle =

Pour eacutevaluer le coucirct des pertes durant la vie du transformateur il doit ecirctre actualiseacute en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le temps9

Ce calcul est appeleacute le laquo Coucirct Total Actualiseacute des pertes raquo Il est deacutefini par la formule suivante

Ougrave

C eacutevaluation du coucirct moyen par kWh par an

WPertes pertes annuelles

i taux drsquoactualisation

n dureacutee de vie espeacutereacutee du transformateur (en anneacutees)

K 2j x JsumJ = 365

J = 1365

CTApertes = C x WPertes x (1 + i)n - 1i x ( + i)n

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412 Coucirct global des transformateurs

Pour eacutevaluer eacuteconomiquement lrsquoachat drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie comme pour les pertes les coucircts drsquoachat drsquoexploitation et de maintenance doivent ecirctre compareacutes en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le tempsCertaines simplifications peuvent ecirctre retenues bien que chaque transformateur ait son propre coucirct drsquoachat et ses propres pertes les autres coucircts ceux drsquoinstallation de maintenance et drsquoeacutelimination en fin de vie sont sensiblement les mecircmes pour tous les types de transformateur de puissance identique et ils peuvent ne pas ecirctre pris en compte

Le calcul du coucirct global peut ecirctre calculeacute selon la formule suivante

CTO = PP + A times P0 + B times Pk

Lrsquoeacutevaluation des facteurs A et B est deacutelicate puisqursquoelle deacutepend de lrsquoeacutevolution du reacutegime de charge du transformateur du coucirct de lrsquoeacutenergie du taux drsquoactualisation et aussi de la dureacutee de vie eacuteconomique preacutevueIl faut aussi tenir compte de lrsquoeacutevolution de la charge et du prix de lrsquoeacutenergie durant la vie du transformateurTypiquement la fourchette de prix pour A se situe entre 6 et 10 euroW et pour B entre 1 et 4 euroWUne meacutethode relativement simple est proposeacutee ci-dessous permettant de deacuteterminer les facteurs A et B pour les transformateurs de distribution

A et B sont calculeacutes comme suit (pertes agrave vide actualiseacutees)

Ces formules reposent sur lrsquohypothegravese que le coucirct de lrsquoeacutenergie et le niveau de charge sont constants tout au long de la dureacutee de vie du transformateur

413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge

Les conditions de charge des transformateurs sont probablement le facteur le plus important agrave consideacuterer pour seacutelectionner de faccedilon optimale des transformateurs selon le niveau de pertesDe maniegravere geacuteneacuterale pour les transformateurs tregraves fortement chargeacutes lrsquoattention doit se porter sur les pertes dues agrave la charge et pour ceux agrave faible charge sur les pertes agrave videLes transformateurs dans le secteur industriel de lrsquoUE-27 ont une charge moyenne de 40 environ et un pic de charge de 70 10 En comparaison la charge moyenne des transformateurs chez les distributeurs drsquoeacutenergie eacutelectrique dans lrsquoUE-27 est drsquoenviron 20 et le pic de charge est de 55 environ

9 Le concept du laquo coucirct de lrsquoargent raquo signifie qursquoune somme drsquoargent disponible immeacutediatement a une valeur plus importante que la mecircme somme disponible plus tard10 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

14 15

(1 + i)n - 1i x (1 + i)nA = CkWh x 8760 x

(1 + i)n - 1i x ( 1 + i)nB = CkWh x 8760 x k2 x

Ougrave

i taux drsquoactualisation ( an)n dureacutee de vie (en anneacutee)C kWh prix du kWh (eurokWh) 8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)k facteur de charge pondeacutereacute sur lrsquoanneacutee

OugravePP coucirct drsquoachat du transformateurA coucirct des pertes agrave vide (exprimeacute en euroW)P0 total des pertes agrave vide garanties B coucirct des pertes dues agrave la charge (exprimeacute en euroW)Pk pertes dues agrave la charge garanties

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42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 3: Ademe Transfo WEB

Utiliser ce guide pour seacutelectionner des transformateurs performants optimiser lrsquoinvestissement global et diminuer les eacutemissions de gaz agrave effet de serre 1 Ce guide preacutesente les transformateurs de distribution eacutelectriques de puissance infeacuterieure ou eacutegale agrave 2500 kVA utiliseacutes dans les reacuteseaux moyenne et basse tensions dans le but de tendre vers un optimum environnemental et technico- eacuteconomique

Il se lit en choisissant une entreacutee dans la table des matiegraveres ou au fil des pages

Les transformateurs des eacuteleacutements essentiels du reacuteseau eacutelectrique Malgreacute de tregraves bonnes performances des gains eacutenergeacutetiques sont encore possibles2 Ils preacutesentent de tregraves bons rendements (supeacuterieur agrave 98 ) mais eacutetant donneacute leur fonctionnement permanent lrsquoimpact de leurs pertes est relativement important

Connaicirctre les transformateurs de distribution

3 Les transformateurs se classent en deux cateacutegories transformateurs de type secs (refroidis agrave lrsquoair) et transformateurs immergeacutes (dans un dieacutelectrique liquide)

Pour chaque cateacutegorie de transformateurs il existe des normes avec des tables indiquant les niveaux des pertes agrave vide des pertes dues agrave la charge en fonction de la puissance

SynthegraveSedu guideConnaicirctre pour agir

entreprises

transformateur de distribution et EacuteConomies drsquoEacutenergie

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Connaicirctre ses besoins de puissance pour choisir le transformateur adapteacuteUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes en charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres paramegravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

Une attention particuliegravere doit ecirctre porteacutee agrave la nature des charges du transformateur Il est souhaitable de reacuteduire les courants harmoniques et la puissance reacuteactive pour limiter les eacutechauffements les pertes et les eacuteventuels dommages aux transformateurs

Selon les normes actuelles les transformateurs agrave pertes agrave vide reacuteduites sont aussi les plus silencieux crsquoest eacutegalement un paramegravetre de choix agrave prendre en compte

Investir dans un transformateur de distribution eacuteconome en eacutenergie

Pour estimer le coucirct drsquoun transformateur il ne faut pas se baser uniquement sur le coucirct drsquoachat variable selon les performances (pertes puissanceshellip) mais aussi sur le coucirct de fonctionnement

Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peuvent constituer un moyen pour financer un transformateur agrave pertes reacuteduites

Assurer la maintenance des transformateurs

Un transformateur exploiteacute dans des conditions normales a une dureacutee de vie moyenne de 20 agrave 30 ans Une maintenance reacuteguliegravere permet de srsquoassurer drsquoune disponibiliteacute des transformateurs

Aussi un plan de maintenance annuel doit ecirctre mis en place et respecteacute pour eacuteviter des surcoucircts et le vieillissement preacutematureacute des transformateurs

En cas de dommage drsquoun transformateur il faut comparer le coucirct de sa reacuteparation agrave celui drsquoun transformateur neuf agrave pertes reacuteduites

4

5

6

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

1 Introduction

11 Contexte

bull Les transformateurs de distribution eacutelectrique des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques publics et priveacutes

Les transformateurs de distribution (TD) constituent un eacuteleacutement essentiel du reacuteseau eacutelectrique Ils sont utiliseacutes pour changer une tension en geacuteneacuteral de 10 kV agrave 36 kV en une autre tension preacutefeacuterentielle de 400 agrave 440 V utilisable par le secteur reacutesidentiel le tertiaire et lrsquoindustrie

bull De bonnes performances eacutenergeacutetiques mais une marge de progregraves certaine

Aujourdrsquohui dans lrsquoUnion europeacuteenne (UE) les pertes1 des transformateurs de distribution et industriels repreacutesentent quasiment 40 TWh (de fait 399 TWh) par an les pertes du reacuteseau eacutelectrique totalisant 200 TWh reacuteparties ainsi

bull environ 225 TWh de pertes dans les transformateurs de distributionbull environ 122 TWh dans les transformateurs de distribution utiliseacutes

en industriebull environ 52 TWh dues agrave la puissance reacuteactive et aux harmoniques

ous transformateurs confondus

En France les pertes annuelles des transformateurs de lrsquoindustrie sont estimeacutees agrave 22 TWh La diffusion de transformateur agrave pertes reacuteduites est relativement faible Crsquoest pourquoi il existe un gisement technique drsquoeacuteco-nomie drsquoeacutenergie de lrsquoordre de 11 TWh2Les transformateurs ont de bonnes performances avec des rendements supeacuterieurs agrave 98 Neacuteanmoins eacutetant donneacute leur fonctionnement continu 24h24h une augmentation de leur efficaciteacute permet des eacuteconomies importantes le remplacement de tous les transformateurs de lrsquoUE par les eacutequipements les plus efficaces permettrait une reacuteduction des pertes drsquoenviron 185 TWhan (soit avec un coucirct estimeacute de 10 c eurokWh pour lrsquoUE une eacuteconomie de 185 milliards drsquoeuros)

Ce guide preacutesente outre des donneacutees techniques sur les transformateurs de distribution des recommandations sur les bonnes pratiques agrave mettre en oeuvre pour choisir et utiliser un transformateur de distributionCe guide est baseacute sur les eacutetudes mandateacutees par la commission europeacuteenne (projet SEEDT en 2005 et lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO en 2011 pour la directive ErP sur les transformateurs de distribution) et les normes (CENELEC UTE-AFNOR)

11 Le contexte des eacuteconomies drsquoeacutenergie et des transformateurs 4

bull Les transformateurs de distribution eacutelectrique des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques 4

bull De bonnes performances eacutenergeacutetiques mais une marge de progregraves certaine 4

12 Le parc et le marcheacute des transformateurs de distribution en France et en Europe 5

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12 Le parc et le marcheacute des transformateurs de distribution en France et en Europe1

Environ 47 millions de transformateurs sont en fonction-nement dans les 27 Pays membres de lrsquoUnion europeacuteenne (UEndash27)

bull 37 millions de transformateurs de distribution dont la puissance moyenne varie selon les pays de 116 agrave 369 kVA

bull 1 million de transformateurs de distribution utiliseacutes en industrie dont - 800 000 transformateurs immergeacutes leur puissance

moyenne eacutetant drsquoenviron 400 kVA- 200 000 transformateurs secs avec une puissance

moyenne drsquoenviron 800 kVA - En France les transformateurs industriels repreacutesentent

environ 250 000 uniteacutes

En Europe plus des 23 des transformateurs installeacutes ont une puissance moyenne infeacuterieure agrave 400 kVA (la plupart se situant autour de 250 kVA avec un faible pourcentage autour de 315 kVA) Les uniteacutes les plus reacutecentes sont plus puissantes

Le marcheacute annuel europeacuteen est drsquoenviron 140 000 trans-formateurs en nouvelles installations et en remplacement de ceux en fonctionnement soit environ 3 du parc existant

Parc en fonctionnement UE-27 Marcheacute UE-27

Nombre MVA Nombre MVA

Distribution (TD agrave huile)

lt 400 kVA 2 688 000 313 000 56 000 7 000

ge 400 kVA et le 630 kVA 861 000 441 000 23 000 12 000

gt 630 kVA 127 000 157 000 6 000 8 000

Total 3 676 000 911 000 85 000 27 000

Industriels (TD agrave huile)

lt 400 kVA 493 000 66 000 24 000 3 000

ge 400 kVA et le 630 181 000 90 000 8 000 4 000

gt 630 kVA 127 000 173 000 6 000 8 000

Total 802 000 330 000 38 000 15 000

Industriels (TD secs)

lt 400 kVA 39 000 13 000 3 000 1 000

ge 400 kVA et le 630 69 000 41 000 5 000 3 000

gt 630 kVA 66 000 90 000 8 000 11 000

Total 174 000 144 000 16 000 14 000

Total 4 652 000 1 385 000 139 000 56 000

le marcheacute de la distribution des TD secs est relativement moins important que celui des transformateurs immergeacutesSur le tableau 1 il apparaicirct clairement que les uniteacutes de faible puissance sont majoritairement preacutesentes dans le secteur de la distribution Parallegravelement les transformateurs de forte puissance sont preacutedominants dans le secteur industriel notamment pour les transformateurs secs

Tableau 1 Parc et marcheacute des transformateurs de distribution et industriel dans lrsquoUE en 20041

1 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution2 Etude Ceren 2010 mandateacutee par EDF RTE et lrsquoADEME

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

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2 Les transformateurs de distribution deacutefinition types et principales caracteacuteristiques

21 Deacutefinition

Les transformateurs de distribution sont utiliseacutes dans les reacuteseaux eacutelectriques pour modifier et adapter les valeurs de tensions et courants

Scheacutematiquement un transformateur se compose de deux enroulements (ou bobines) entourant un circuit magneacutetique (appeleacute encore noyau constitueacute de tocircles magneacutetiques) Chaque bobine est constitueacutee de spires mateacuteriau conducteur comme le cuivre ou lrsquoaluminium isoleacutees les unes des autres Elles sont relieacutees agrave deux reacuteseaux eacutelectriques de tension diffeacuterenteUne tension alternative drsquoalimentation aux bornes de lrsquoune des bobines geacutenegravere un flux magneacutetique variable (et donc une induction magneacutetique dans le circuit magneacutetique) creacuteant une tension induite dans lrsquoautre bobine Le rapport de tension entre les deux bobines est proportionnel aux nombres de spires

Pour les transformateurs

immergeacutes et les transformateurs de type

secs des normes speacutecifiques indiquent les niveaux de

pertes en fonction de la puissance

21 Deacutefinition 6

22 Types 7

23 Principales caracteacuteristiques 7

Figure 1 Scheacutema de principe drsquoun transformateur abaisseur

DEUX CIRCUITS ELECTRIQUES

UN CIRCUIT MAGNETIQUE

U1

I1

U2

I2

Circuit dalimentation(haute tension) Circuit

drsquoutilisation(basse tension)

N1 N

2

Enroulementprimaire

Enroulementsecondaire

SIEM

ENS

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Un transformateur fonctionne en geacuteneacuteral agrave une charge t infeacuterieure agrave 100 soit une puissance effective deacutefinie par

Peff (en kW) = k x Sn (en kVA) x cos ϕ

k repreacutesente le facteur de charge t sous la tension en charge

23 Principales caracteacuteristiques

Les transformateurs se caracteacuterisent par

bull la reacutefeacuterence normative (NF EN 50464-1 par exemple)bull la freacutequence assigneacuteebull le type (immergeacute sec) et la nature du dieacutelectrique en

cas de transformateur immergeacute (huile mineacuterale ester naturel ou de synthegravese ou autre)

bull leur puissance assigneacutee exprimeacutee en kVA (Sn)bull les tensions assigneacutees primaire et secondaire (Ur) (parfois appeleacutees aussi nominales) exprimeacutees en V bull le couplage et lrsquoindice horairebull les niveaux de pertes dues agrave la charge (Pk en W)bull le niveau de pertes agrave vide (P0 en W)

bull le type de refroidissement - pour les transformateurs de type secs AN (air naturel)

AF (air forceacute) - pour les transformateurs immergeacutes ONAN (huile

naturel air naturel)bull lrsquoanneacutee de constructionbull les reacuteparations eacuteventuelles effectueacutees (rebobinage

huile dieacutelectriquehellip)bull les eacutequipements de protection (relais de protection

capots de protectionhellip)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

6 7

22 Types

Pour les transformateurs immergeacutes et les transformateurs de type secs les normes indiquent les niveaux des pertes en fonction de la puissance

La norme NF EN 50464-1 relative aux transformateurs immergeacutes drsquoune puissance comprise entre 50 et 2500 kVA distingue quatre niveaux de pertes dues agrave la charge (Ak - Bk - Ck et Dk) et cinq niveaux de pertes agrave vide (A0 - B0 - C0 - D0 et E0) Les pertes Ak (respectivement A0) sont plus faibles que les pertes Dk (respectivement E0) Pour une mecircme utilisation un transformateur A0-Ak est plus efficace qursquoun transformateur E0-Dk qui preacutesente les plus grandes pertes

La norme NF EN 50541-1 relative aux transformateurs de types secs drsquoune puissance comprise entre 100 et 3150 kVA distingue deux niveaux de pertes dues agrave la charge (Ak Bk) et trois niveaux de pertes agrave vide (A0 B0 C0)

Les pertes Ak (respectivement A0) sont plus faibles que les pertes Bk (respectivement C0) Pour une mecircme utilisation un transformateur A0-Ak est plus efficace qursquoun transformateur C0-Bk qui preacutesente les plus grandes pertes

Les transformateurs de types secs ont des pertes supeacute-rieures agrave celles des transformateurs immergeacutes

Lrsquoannexe 1 Norme sur les pertes et le bruit en fin du guide preacutesente en deacutetail les niveaux des pertes

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3 Les transformateurs de distribution et lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique

31 Deacutefinition des pertes et du rendement

Les pertes des transformateurs comprennent principalement deux types de pertes bull les pertes agrave vide (P0) appeleacutees aussi pertes ferbull les pertes dues agrave la charge (Pk) auxquelles srsquoajoutent les pertes suppleacute-

mentaires geacuteneacutereacutees par les harmoniques de courant

311 Pertes agrave vide (P0)Ces pertes se produisent degraves que le transformateur est sous-tension elles sont lieacutees agrave la tension du reacuteseau drsquoalimentation qui creacutee un flux dans le circuit magneacutetique du transformateur

Ces pertes deacutependent de la freacutequence et de la tension appliqueacutee

En pratique la freacutequence fondamentale des reacuteseaux eacutelectriques est tregraves stable et si lrsquoon considegravere que les harmoniques de tension cocircteacute primaire ont peu drsquoimpact les pertes agrave vide sont constantes et indeacutependantes de la charge du transformateur

Elles se composent

1 Des pertes par hysteacutereacutesisElles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique Ces pertes deacutependent du type de mateacuteriau utiliseacute pour la construc-tion du circuit magneacutetique du transformateur et sont proportionnelles agrave la freacutequence Les pertes par hysteacutereacutesis peuvent aujourdrsquohui ecirctre reacuteduites par le choix de tocircles agrave grains orienteacutes lamineacutees agrave froid et ameacutelioreacutees par un traitement laser Les pertes par hysteacutereacutesis sont responsables de plus de la moitieacute des pertes agrave vide (entre 50 et 60 ) 2 Des pertes par courant de Foucault3

Elles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique produisant des courants de Foucault Elles deacutependent de lrsquoeacutepaisseur de la reacutesistiviteacute du mateacuteriau et du carreacute de la freacutequenceLes pertes par courant de Foucault repreacutesentent 40 agrave 50 des pertes agrave vide

Les pertes agrave vide repreacutesentent en moyenne de 01 agrave 02 de la puissance assigneacutee Sn

Les pertes des transformateurs

comprennent principalement deux

types de pertes pertes agrave vide et pertes

dues agrave la charge

31 Deacutefinition des pertes et du rendement 8

311 Pertes agrave vide (P0) 8

312 Pertes dues agrave la charge (Pk) 9

313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux harmoniques et agrave la puissance reacuteactive 10

314 Reacutepartition des pertes 11

315 Rendement 11

32 Normes et reacuteglementations applicables 12

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie 13

Gim

eacutelec

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312 Pertes dues agrave la charge (Pk)Elles sont composeacutees des

1 Pertes Joule dans les conducteurs des enroulements primaires et secondaires (PDC )4

2 Pertes parasites par courants de Foucault dans les enroulements (PWE )5

3 Pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions (PCE )6 pertes parasites dans les parties structurelles

meacutetalliques (PSE)7

Toutes les pertes sont variables car elles sont proportionnelles au carreacute du courant traversant les enroulements

Ces pertes sont lieacutees au fondamental du courant ainsi qursquoaux courants harmoniques dont il faut connaicirctre le spectre et lrsquoamplitude des composantes car ces courants harmoniques vont accroicirctre les pertes dues agrave la charge

Les pertes JouleCes pertes apparaissent dans les enroulements du transformateur et sont causeacutees par la reacutesistance du conducteur Leur amplitude varie en fonction du carreacute du courant de charge et est proportionnelle agrave la reacutesistance du bobinage Elles peuvent ecirctre reacuteduites en augmentant la section du conducteur

Les pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements Le courant alternatif lieacute au fonctionnement du transformateur et parcourant le conducteur constituant les enroulements engendre un champ magneacutetique Ce champ va ecirctre agrave lrsquoorigine de courants induits appeleacutes courants de Foucault se superposant au courant de fonctionnement et provoquant des pertes ohmiques suppleacutementaires eacutegalement appeleacutes pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements (P

WE)

Les pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions et dans les parties structurelles meacutetalliquesUn conducteur parcouru par un courant alternatif va creacuteer un champ drsquoinduction variable geacuteneacuterant un courant induit dans les parties meacutetalliques constituant la structure du transformateur et produire des pertes suppleacutementaires ces pertes sont appeleacutees pertes parasites par courant de Foucault dans les parties structurelles meacutetalliques (PSE) et dans les connexions agrave fort courant (PCE)

Les pertes dues agrave la charge repreacutesentent en moyenne de 07 agrave 1 de la puissance nominale assigneacutee (agrave 100 de la charge)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

8 9

3 Pheacutenomegravene deacutecouvert par le physicien franccedilais Leacuteon Foucault en 18514 P

DC Direct Current Loss

5 PWE

Winding Eddy Loss6 P

CE Connection Eddy loss

7 PSE Structural Stray Loss

ALS

MTO

M

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10010806

Rendement η ()

Cos ϕ

Facteur de charge ()

50

0

Figure 2 Scheacutema eacutequivalent des puissances

P

ϕ2

ϕ1

S2

Q2

Q1

S1

Q

Puissance utile neacutecessaire

Puissance apparente nominaledu transformateur

Consommation excessive de puissance reacuteactive Puissance du transformateur insuffisante

Figure 3 Allure du rendement pour diffeacuterents facteurs de charge et diffeacuterents cos ϕ 313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux

harmoniques et agrave la puissance reacuteactive

Ces pertes ont pour origine la puissance reacuteactive et les courants harmoniques

bull Sur la puissance reacuteactive

Comme le montre la figure ci-dessus on distingue trois puissances

bull la puissance apparente S (exprimeacutee en VA) celle appeleacutee par le transformateur sur le reacuteseau

Sa valeur est S = U x I x radic 3

bull la puissance active P (exprimeacutee en W) celle qui produit un travail utile consommeacute par lrsquoinstallation Pour caracteacuteriser la quantiteacute de puissance active dis-ponible on utilise la notion de facteur de puissance qui est eacutegal agrave PS et agrave cos ϕ La valeur de la puissance active est

P = U x I x radic 3 x cos ϕ

bull la puissance reacuteactive Q (exprimeacutee en VAR) qui est neacutecessaire pour magneacutetiser les circuits des charges tels les moteurs

Sa valeur est Q = U x I x radic 3 x sin ϕ

La puissance apparente est deacutefinie par la relation

S = radicP2 + Q2

La figure 2 preacutesente le scheacutema eacutequivalent des puis-sances et une consommation excessive de puissance reacuteactive due agrave un mauvais cos ϕ de lrsquoinstallation Pour une puissance active donneacutee plus la puissance reacuteactive sera importante et plus le transformateur sera chargeacute et srsquoeacutechauffera (entraicircnant une diminution de sa dureacutee de vie) Car crsquoest la valeur de la puissance apparente qui fixe la limite de puissance du transformateur

Drsquoautre part le rendement du transformateur varie avec le cos ϕ (voir figure 3)

Il est donc important de diminuer la puissance reacuteactive consommeacutee

bull Les courants harmoniquesLes courants harmoniques sont des courants dont la freacutequence est un multiple de la freacutequence principale provoqueacutes par les charges non lineacuteaires du reacuteseau (comme les ordinateurs certains variateurs de vitessehellip) Ils ont des reacutepercussions potentiellement dommageables pour les transformateurs non seulement ils augmentent les pertes en charge de faccedilon plus que proportionnelle agrave lrsquoaugmentation de la charge mais aussi la tempeacuterature des enroulements et de la structure meacutetallique du transformateur reacuteduisant ainsi la dureacutee de vie du transformateur

Les pertes geacuteneacutereacutees par les courants de Foucault deacutependent du carreacute de la freacutequence aussi la preacutesence drsquoharmoniques multiples de la freacutequence fondamentale de 50 Hz provoque des pertes suppleacutementaires dans les enroulements et les parties structurelles meacutetalliques

bull Le facteur K

Les courants harmoniques augmentent la valeur du courant efficace non seulement cela constitue deacutejagrave un facteur drsquoaccroissement des pertes mais en plus la freacutequence des composantes harmoniques accentue cet accroissement

Il y a deux approches pour eacutevaluer lrsquoeffet des courants harmoniques sur les pertes

bull Le facteur Kbull Le calcul des pertes qui neacutecessite la connaissance

preacutecise des caracteacuteristiques du transformateur utiliseacute

Le facteur K ou facteur de deacuteclassement est le plus souvent utiliseacute car il est simple agrave calculer et agrave exploiterIl permet drsquoestimer le taux du deacuteclassement du trans-formateur en calculant lrsquoinfluence des courants har-moniques sur la charge du transformateur On estime ainsi de combien un transformateur standard est deacute-classeacute pour que les pertes totales dues agrave une charge non lineacuteaire ne deacutepassent pas les pertes preacutevues pour la freacutequence fondamentale lors de la conception du transformateur

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LrsquoAnnexe 2 - Facteur K preacutesente plus en deacutetail le calcul du facteur K

bull Les solutions pour reacuteduire les pertes in-situ

Il nrsquoy a pas de moyens externes permettant de modifier les pertes agrave vide car elles ne sont pas influenceacutees par les charges Par contre deux moyens externes permettent de reacuteduire les pertes suppleacutementaires dues agrave la charge

1 Compensation reacuteactive (batterie de condensateurs)Cette compensation permet drsquooptimiser lrsquoutilisation de la puissance du transformateur et de reacuteduire les pertes agrave 50 Hz2 Filtrage des courants harmoniquesLes pertes srsquoaccroissent avec les courants harmoniques Il existe plusieurs solutions de reacuteduction des courants harmoniques dans les reacuteseaux pollueacutes connaissance et reacuteduction du taux drsquoharmoniques agrave la source utilisation drsquoinductances anti-harmoniques en seacuterie avec les condensateurs de compensation du reacuteactif insertion de filtre passif etou actifs etc

314 Reacutepartition des pertes

On peut reacutesumer la situation des pertes sous la forme du graphique ci-contre

Transfo agrave vide

Transfo en chargeagrave Inominal

(P0 = 10 agrave15 de PDC)

Transfo en chargeagrave 70 sansharmoniques

PWE + PCE + PSE ~ 60 agrave 70 de PDC

PWE + PCE + PSE ~ 10 de PDC

PDC

Augmentation de5 agrave 8 de PDC

Transfo en charge

agrave 70 avecharmoniquesde courants

PDC PDCPDC

P0 P0P0P0

Figure 4 Reacutepartition des pertes

AvecPCC pertes dues agrave la charge au courant assigneacute et agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

P0 pertes agrave vide agrave la tension et agrave la freacutequence assigneacutees

S puissance assigneacutee

α facteur de charge

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

10 11

8 Lrsquoextrait de la norme NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo est reproduit avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets de la norme telle que diffuseacutee par AFNOR Editions ndash accessible via le site internet wwwboutiqueafnororg ndash ont valeur normative

315 Rendement

La norme NF EN 50464-18 indique que le rendement drsquoun transformateur de puissance est donneacute pour toute condition de charge par le rapport entre la puissance de sortie (P2) et la puissance drsquoentreacutee (P1)

η = P2P1

En raison de la difficulteacute agrave deacuteterminer le rendement par des mesures directes il peut ecirctre eacutevalueacute conventionnellement par les pertes garanties ou mesureacutees comme suit

α2 PCC + P0

α S + α2 PCC + P0

η = 100 1- ()( )

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Il est souhaitable que le transformateur soit exploiteacute agrave une charge raisonnable comprise entre 40 et 60 de sa charge nominale mais cela deacutepend aussi drsquoautres paramegravetres (cos ϕ tempeacuterature ambiante cycle de chargehellip)

Si la charge est supeacuterieure agrave 75 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une augmentation de sa puissance

A lrsquoinverse si la charge est infeacuterieure agrave 40 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une reacuteduction de sa puissance

Pertes (W) Rendement ()

Facteur de charge ()0 10 20 30

η

Ptot

Pcc

P0

40 50 60 70 80 90 100

η rendement Ptot pertes totalesPcc pertes en charge P0 pertes agrave vide

Figure 5 Allure de rendement en fonctionde la charge

La courbe typique du rendement drsquoun transforma-teur en fonction de sa charge est la suivante

Elle montre les pertes agrave vide les pertes dues agrave la charge le rendement en fonction de la charge du transformateur

Sur lrsquoexemple de la figure 5 le rendement est maximum pour un facteur de charge de 40

Quelque soit la puissance du transformateur il existe toujours un maximum entre le rendement et le facteur de charge en geacuteneacuteral aux alentours de 40-50 de la charge nominale

Puissance 1000 kVA

Pertes selon NF EN 50464-1

Niveau de pertes D0 Dk C0 Ck B0 Bk A0 Ak

Pertes agrave vide (W) 1400 1100 940 770

Pertes dues agrave la charge (W) 13000 10500 9000 7600

Charge 85 9861 9888 9904 9919

65 9884 9906 9920 9932

50 9898 9918 9930 9941

30 9906 9925 9936 9946

Exemple du rendement selon le niveau de pertes et la valeur de la charge

32 Normes et reacuteglementations applicablesActuellement il nrsquoexiste pas en Europe de reacuteglementation speacutecifique sur lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs de distri-bution De fait lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs est encore peu traiteacutee dans les leacutegislations europeacuteennes et franccedilaises

Drsquoun point de vue normatif diffeacuterents documents sont en vigueur et des certifications existent pour garantir la qualiteacute des transformateurs (ceux concernant en prioriteacute le domaine eacutenergeacutetique sont surligneacutes)

bull NF EN 50464-1 pour les transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-7 guide de charge pour les transformateurs immergeacutes

bull NF EN 50541-1 pour les transformateurs de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-12 guide de charge pour transformateurs de type sec

bull NF EN 60076-1 agrave 60076-5 transformateurs de puissance

bull NF EN 60076-11 transformateurs de puissance de type sec

La directive Eco-Design (dite directive ErP) (2009125EC adopteacutee en 2009) est conccedilue pour ameacuteliorer les performances environnementales et eacutenergeacutetiques sur le cycle de vie des eacutequipements lieacutees agrave lrsquoeacutenergie aussi elle permet drsquointroduire des exigences de performance eacutenergeacutetique

Dans ce cadre une application aux transformateurs de distribution est en cours de preacuteparation Lrsquoeacutetude preacuteparatoire est en consultation sur le site wwwecotransformerorg

Concernant la reacuteglementation sur les PCB se reacutefeacuterer au site du ministegravere wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

12 13

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergieLe dispositif des CEE (Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie) repose sur une obligation drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie imposeacutee aux fournisseurs drsquoeacutenergie (eacutelectriciteacute gaz fioul carburants hellip) Ces entreprises laquo obligeacutees raquo doivent soutenir ou accompagner des investissements ou actions drsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie chez les consommateurs sous peine de peacutenaliteacuteLes fournisseurs drsquoeacutenergie sont en capaciteacute de soutenir ou drsquoaider lrsquoachat drsquoeacutequipements figurant entre autres dans la liste des opeacuterations standardiseacutees par des maicirctres drsquoouvrage (entreprises industrielles ou tertiaire collectiviteacutes) Concregravetement cette aide se neacutegocie en amont de lrsquoinvestissement directement aupregraves des fournisseurs drsquoeacutenergie ou parfois aupregraves des fabricants drsquoeacutequipements

Trois actions standardiseacutees concernent les transformateurs

bull La fiche IN-UT-10 (industrie) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel pour les transformateurs de distribution industriels Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche RES-EL-01 (secteur reacuteseaux) - transformateur agrave haut rendement pour la distribution publique drsquoeacutelectriciteacute Elle concerne la laquo mise en place drsquoun transformateur de distribution publique agrave haut rendement (faibles pertes) triphaseacute immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 50 et 1 000 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie B0 ou A0 pour les pertes agrave vide Ck Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche BAT-EQ-21 (secteur des bacirctiments tertiaires) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes en charge

A noter que drsquoautres fiches sur

les transformateurs sont susceptibles drsquoecirctre ajouteacutees mais il nrsquoexiste pas encore

de fiches speacutecifiques aux transformateurs

de type secs

Estimation des kWh cumac

kWh cumac Pertes agrave vide Pertes en charge Coefficient de pertes en charge Total

2 transformateurs de 1 600 kVA 2 times 123 800 2 times 990 500 06 1 436 2002 transformateurs de 2 000 kVA 2 times 154 800 2 times 1 361 900 06 1 943 8801 transformateur de 2 500 kVA 1 times 179 500 1 times 1 671 500 06 1 182 400Total 736 700 6 376 300 06 4 562 480Pour en savoir plus Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

Extrait de la fiche IND-UT-10 pour calculer les kWh cumac

Pertes agrave vide Pertes en charge Mode de fonctionnement du site

Coefficient de pertes en charge

kVA C0 B0 A0 + Bk Ak x 1 x 8 02250 27 900 35 900 43 300 61 900 111 400 2 x 8 04315 31 000 40 900 50 800 80 500 136 200 3 x 8 avec arrecirct le WE 05400 39 600 50 800 61 900 92 900 167 100 3 x 8 sans arrecirct le WE 06500 47 000 60 700 73 000 111 400 198 100630 54 500 70 600 86 700 136 200 235 200800 27 200 43 300 61 900 433 300 557 200

1 000 37 100 57 000 78 000 495 300 668 6001250 49 500 74 300 99 100 619 100 804 8001 600 61 900 92 900 123 800 742 900 990 5002 000 74 300 111 400 154 800 990 500 1 361 9002 500 86 700 130 000 179 500 1 238 100 1 671 500

Exemple Une entreprise industrielle peut valoriser le remplacement de ses vieux transformateurs eacutenergivores par des transformateurs agrave pertes reacuteduitesLrsquoindustriel exploite 5 transformateurs deux de 1 600 kVA deux de 2 000 kVA et un de 2 500 kVA en 3x8 y compris le week-end Dans le cas de leur remplacement par des transformateurs de type A0Ak et selon la fiche IND-UT-10 cela correspond agrave 45 GWh cumac

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4 Le coucirct des pertes

41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14

411 Coucirct annuel des pertes 14

412 Coucirct global des transformateurs 15

413 La charge des transformateurs

profil de charge et pic de charge 15

42 Exemple 16

Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie

Exemple de charge pondeacutereacutee sur une journeacutee sur un site industriel

150

03

1

065

085

05

085

03

390 720 810 1320 1440Minutes

Fact

eur

de c

harg

e

Facteur de charge pondeacutereacutee 0724

K 2H x tsumt = 1440

t = 01440

41 Preacutesentation geacuteneacuterale

411 Coucirct annuel des pertes

Les pertes annuelles drsquoun transformateur peuvent ecirctre eacutevalueacutees selon la formule suivante

WPertes = (P0 + Pk times Ksup2 ) times 8760

Ougrave

WPertes montant des pertes annuelles en kWh

P0 pertes agrave vide en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

Pk pertes en charge en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

K facteur de charge pondeacutereacutee sur lrsquoanneacutee

8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)

Un exemple de calcul du facteur de charge pondeacutereacutee est donneacute ci-apregraves

Sur un jour (1440 minutes) le facteur de charge pondeacutereacutee est eacutegal agrave

Soit aussi

(032 x 150 + 0652 x 240 + 0852 x 330 + 052 x 90 + 0852 x 510 + 032 x 120) 1440

La charge pondeacutereacutee journaliegravere est alors de 0724

Charge pondeacutereacutee annuelle =

Pour eacutevaluer le coucirct des pertes durant la vie du transformateur il doit ecirctre actualiseacute en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le temps9

Ce calcul est appeleacute le laquo Coucirct Total Actualiseacute des pertes raquo Il est deacutefini par la formule suivante

Ougrave

C eacutevaluation du coucirct moyen par kWh par an

WPertes pertes annuelles

i taux drsquoactualisation

n dureacutee de vie espeacutereacutee du transformateur (en anneacutees)

K 2j x JsumJ = 365

J = 1365

CTApertes = C x WPertes x (1 + i)n - 1i x ( + i)n

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412 Coucirct global des transformateurs

Pour eacutevaluer eacuteconomiquement lrsquoachat drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie comme pour les pertes les coucircts drsquoachat drsquoexploitation et de maintenance doivent ecirctre compareacutes en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le tempsCertaines simplifications peuvent ecirctre retenues bien que chaque transformateur ait son propre coucirct drsquoachat et ses propres pertes les autres coucircts ceux drsquoinstallation de maintenance et drsquoeacutelimination en fin de vie sont sensiblement les mecircmes pour tous les types de transformateur de puissance identique et ils peuvent ne pas ecirctre pris en compte

Le calcul du coucirct global peut ecirctre calculeacute selon la formule suivante

CTO = PP + A times P0 + B times Pk

Lrsquoeacutevaluation des facteurs A et B est deacutelicate puisqursquoelle deacutepend de lrsquoeacutevolution du reacutegime de charge du transformateur du coucirct de lrsquoeacutenergie du taux drsquoactualisation et aussi de la dureacutee de vie eacuteconomique preacutevueIl faut aussi tenir compte de lrsquoeacutevolution de la charge et du prix de lrsquoeacutenergie durant la vie du transformateurTypiquement la fourchette de prix pour A se situe entre 6 et 10 euroW et pour B entre 1 et 4 euroWUne meacutethode relativement simple est proposeacutee ci-dessous permettant de deacuteterminer les facteurs A et B pour les transformateurs de distribution

A et B sont calculeacutes comme suit (pertes agrave vide actualiseacutees)

Ces formules reposent sur lrsquohypothegravese que le coucirct de lrsquoeacutenergie et le niveau de charge sont constants tout au long de la dureacutee de vie du transformateur

413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge

Les conditions de charge des transformateurs sont probablement le facteur le plus important agrave consideacuterer pour seacutelectionner de faccedilon optimale des transformateurs selon le niveau de pertesDe maniegravere geacuteneacuterale pour les transformateurs tregraves fortement chargeacutes lrsquoattention doit se porter sur les pertes dues agrave la charge et pour ceux agrave faible charge sur les pertes agrave videLes transformateurs dans le secteur industriel de lrsquoUE-27 ont une charge moyenne de 40 environ et un pic de charge de 70 10 En comparaison la charge moyenne des transformateurs chez les distributeurs drsquoeacutenergie eacutelectrique dans lrsquoUE-27 est drsquoenviron 20 et le pic de charge est de 55 environ

9 Le concept du laquo coucirct de lrsquoargent raquo signifie qursquoune somme drsquoargent disponible immeacutediatement a une valeur plus importante que la mecircme somme disponible plus tard10 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

14 15

(1 + i)n - 1i x (1 + i)nA = CkWh x 8760 x

(1 + i)n - 1i x ( 1 + i)nB = CkWh x 8760 x k2 x

Ougrave

i taux drsquoactualisation ( an)n dureacutee de vie (en anneacutee)C kWh prix du kWh (eurokWh) 8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)k facteur de charge pondeacutereacute sur lrsquoanneacutee

OugravePP coucirct drsquoachat du transformateurA coucirct des pertes agrave vide (exprimeacute en euroW)P0 total des pertes agrave vide garanties B coucirct des pertes dues agrave la charge (exprimeacute en euroW)Pk pertes dues agrave la charge garanties

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42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 4: Ademe Transfo WEB

Connaicirctre ses besoins de puissance pour choisir le transformateur adapteacuteUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes en charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres paramegravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

Une attention particuliegravere doit ecirctre porteacutee agrave la nature des charges du transformateur Il est souhaitable de reacuteduire les courants harmoniques et la puissance reacuteactive pour limiter les eacutechauffements les pertes et les eacuteventuels dommages aux transformateurs

Selon les normes actuelles les transformateurs agrave pertes agrave vide reacuteduites sont aussi les plus silencieux crsquoest eacutegalement un paramegravetre de choix agrave prendre en compte

Investir dans un transformateur de distribution eacuteconome en eacutenergie

Pour estimer le coucirct drsquoun transformateur il ne faut pas se baser uniquement sur le coucirct drsquoachat variable selon les performances (pertes puissanceshellip) mais aussi sur le coucirct de fonctionnement

Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peuvent constituer un moyen pour financer un transformateur agrave pertes reacuteduites

Assurer la maintenance des transformateurs

Un transformateur exploiteacute dans des conditions normales a une dureacutee de vie moyenne de 20 agrave 30 ans Une maintenance reacuteguliegravere permet de srsquoassurer drsquoune disponibiliteacute des transformateurs

Aussi un plan de maintenance annuel doit ecirctre mis en place et respecteacute pour eacuteviter des surcoucircts et le vieillissement preacutematureacute des transformateurs

En cas de dommage drsquoun transformateur il faut comparer le coucirct de sa reacuteparation agrave celui drsquoun transformateur neuf agrave pertes reacuteduites

4

5

6

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

1 Introduction

11 Contexte

bull Les transformateurs de distribution eacutelectrique des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques publics et priveacutes

Les transformateurs de distribution (TD) constituent un eacuteleacutement essentiel du reacuteseau eacutelectrique Ils sont utiliseacutes pour changer une tension en geacuteneacuteral de 10 kV agrave 36 kV en une autre tension preacutefeacuterentielle de 400 agrave 440 V utilisable par le secteur reacutesidentiel le tertiaire et lrsquoindustrie

bull De bonnes performances eacutenergeacutetiques mais une marge de progregraves certaine

Aujourdrsquohui dans lrsquoUnion europeacuteenne (UE) les pertes1 des transformateurs de distribution et industriels repreacutesentent quasiment 40 TWh (de fait 399 TWh) par an les pertes du reacuteseau eacutelectrique totalisant 200 TWh reacuteparties ainsi

bull environ 225 TWh de pertes dans les transformateurs de distributionbull environ 122 TWh dans les transformateurs de distribution utiliseacutes

en industriebull environ 52 TWh dues agrave la puissance reacuteactive et aux harmoniques

ous transformateurs confondus

En France les pertes annuelles des transformateurs de lrsquoindustrie sont estimeacutees agrave 22 TWh La diffusion de transformateur agrave pertes reacuteduites est relativement faible Crsquoest pourquoi il existe un gisement technique drsquoeacuteco-nomie drsquoeacutenergie de lrsquoordre de 11 TWh2Les transformateurs ont de bonnes performances avec des rendements supeacuterieurs agrave 98 Neacuteanmoins eacutetant donneacute leur fonctionnement continu 24h24h une augmentation de leur efficaciteacute permet des eacuteconomies importantes le remplacement de tous les transformateurs de lrsquoUE par les eacutequipements les plus efficaces permettrait une reacuteduction des pertes drsquoenviron 185 TWhan (soit avec un coucirct estimeacute de 10 c eurokWh pour lrsquoUE une eacuteconomie de 185 milliards drsquoeuros)

Ce guide preacutesente outre des donneacutees techniques sur les transformateurs de distribution des recommandations sur les bonnes pratiques agrave mettre en oeuvre pour choisir et utiliser un transformateur de distributionCe guide est baseacute sur les eacutetudes mandateacutees par la commission europeacuteenne (projet SEEDT en 2005 et lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO en 2011 pour la directive ErP sur les transformateurs de distribution) et les normes (CENELEC UTE-AFNOR)

11 Le contexte des eacuteconomies drsquoeacutenergie et des transformateurs 4

bull Les transformateurs de distribution eacutelectrique des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques 4

bull De bonnes performances eacutenergeacutetiques mais une marge de progregraves certaine 4

12 Le parc et le marcheacute des transformateurs de distribution en France et en Europe 5

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eide

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ctric

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12 Le parc et le marcheacute des transformateurs de distribution en France et en Europe1

Environ 47 millions de transformateurs sont en fonction-nement dans les 27 Pays membres de lrsquoUnion europeacuteenne (UEndash27)

bull 37 millions de transformateurs de distribution dont la puissance moyenne varie selon les pays de 116 agrave 369 kVA

bull 1 million de transformateurs de distribution utiliseacutes en industrie dont - 800 000 transformateurs immergeacutes leur puissance

moyenne eacutetant drsquoenviron 400 kVA- 200 000 transformateurs secs avec une puissance

moyenne drsquoenviron 800 kVA - En France les transformateurs industriels repreacutesentent

environ 250 000 uniteacutes

En Europe plus des 23 des transformateurs installeacutes ont une puissance moyenne infeacuterieure agrave 400 kVA (la plupart se situant autour de 250 kVA avec un faible pourcentage autour de 315 kVA) Les uniteacutes les plus reacutecentes sont plus puissantes

Le marcheacute annuel europeacuteen est drsquoenviron 140 000 trans-formateurs en nouvelles installations et en remplacement de ceux en fonctionnement soit environ 3 du parc existant

Parc en fonctionnement UE-27 Marcheacute UE-27

Nombre MVA Nombre MVA

Distribution (TD agrave huile)

lt 400 kVA 2 688 000 313 000 56 000 7 000

ge 400 kVA et le 630 kVA 861 000 441 000 23 000 12 000

gt 630 kVA 127 000 157 000 6 000 8 000

Total 3 676 000 911 000 85 000 27 000

Industriels (TD agrave huile)

lt 400 kVA 493 000 66 000 24 000 3 000

ge 400 kVA et le 630 181 000 90 000 8 000 4 000

gt 630 kVA 127 000 173 000 6 000 8 000

Total 802 000 330 000 38 000 15 000

Industriels (TD secs)

lt 400 kVA 39 000 13 000 3 000 1 000

ge 400 kVA et le 630 69 000 41 000 5 000 3 000

gt 630 kVA 66 000 90 000 8 000 11 000

Total 174 000 144 000 16 000 14 000

Total 4 652 000 1 385 000 139 000 56 000

le marcheacute de la distribution des TD secs est relativement moins important que celui des transformateurs immergeacutesSur le tableau 1 il apparaicirct clairement que les uniteacutes de faible puissance sont majoritairement preacutesentes dans le secteur de la distribution Parallegravelement les transformateurs de forte puissance sont preacutedominants dans le secteur industriel notamment pour les transformateurs secs

Tableau 1 Parc et marcheacute des transformateurs de distribution et industriel dans lrsquoUE en 20041

1 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution2 Etude Ceren 2010 mandateacutee par EDF RTE et lrsquoADEME

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

4 5

Schn

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r Ele

ctric

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2 Les transformateurs de distribution deacutefinition types et principales caracteacuteristiques

21 Deacutefinition

Les transformateurs de distribution sont utiliseacutes dans les reacuteseaux eacutelectriques pour modifier et adapter les valeurs de tensions et courants

Scheacutematiquement un transformateur se compose de deux enroulements (ou bobines) entourant un circuit magneacutetique (appeleacute encore noyau constitueacute de tocircles magneacutetiques) Chaque bobine est constitueacutee de spires mateacuteriau conducteur comme le cuivre ou lrsquoaluminium isoleacutees les unes des autres Elles sont relieacutees agrave deux reacuteseaux eacutelectriques de tension diffeacuterenteUne tension alternative drsquoalimentation aux bornes de lrsquoune des bobines geacutenegravere un flux magneacutetique variable (et donc une induction magneacutetique dans le circuit magneacutetique) creacuteant une tension induite dans lrsquoautre bobine Le rapport de tension entre les deux bobines est proportionnel aux nombres de spires

Pour les transformateurs

immergeacutes et les transformateurs de type

secs des normes speacutecifiques indiquent les niveaux de

pertes en fonction de la puissance

21 Deacutefinition 6

22 Types 7

23 Principales caracteacuteristiques 7

Figure 1 Scheacutema de principe drsquoun transformateur abaisseur

DEUX CIRCUITS ELECTRIQUES

UN CIRCUIT MAGNETIQUE

U1

I1

U2

I2

Circuit dalimentation(haute tension) Circuit

drsquoutilisation(basse tension)

N1 N

2

Enroulementprimaire

Enroulementsecondaire

SIEM

ENS

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Un transformateur fonctionne en geacuteneacuteral agrave une charge t infeacuterieure agrave 100 soit une puissance effective deacutefinie par

Peff (en kW) = k x Sn (en kVA) x cos ϕ

k repreacutesente le facteur de charge t sous la tension en charge

23 Principales caracteacuteristiques

Les transformateurs se caracteacuterisent par

bull la reacutefeacuterence normative (NF EN 50464-1 par exemple)bull la freacutequence assigneacuteebull le type (immergeacute sec) et la nature du dieacutelectrique en

cas de transformateur immergeacute (huile mineacuterale ester naturel ou de synthegravese ou autre)

bull leur puissance assigneacutee exprimeacutee en kVA (Sn)bull les tensions assigneacutees primaire et secondaire (Ur) (parfois appeleacutees aussi nominales) exprimeacutees en V bull le couplage et lrsquoindice horairebull les niveaux de pertes dues agrave la charge (Pk en W)bull le niveau de pertes agrave vide (P0 en W)

bull le type de refroidissement - pour les transformateurs de type secs AN (air naturel)

AF (air forceacute) - pour les transformateurs immergeacutes ONAN (huile

naturel air naturel)bull lrsquoanneacutee de constructionbull les reacuteparations eacuteventuelles effectueacutees (rebobinage

huile dieacutelectriquehellip)bull les eacutequipements de protection (relais de protection

capots de protectionhellip)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

6 7

22 Types

Pour les transformateurs immergeacutes et les transformateurs de type secs les normes indiquent les niveaux des pertes en fonction de la puissance

La norme NF EN 50464-1 relative aux transformateurs immergeacutes drsquoune puissance comprise entre 50 et 2500 kVA distingue quatre niveaux de pertes dues agrave la charge (Ak - Bk - Ck et Dk) et cinq niveaux de pertes agrave vide (A0 - B0 - C0 - D0 et E0) Les pertes Ak (respectivement A0) sont plus faibles que les pertes Dk (respectivement E0) Pour une mecircme utilisation un transformateur A0-Ak est plus efficace qursquoun transformateur E0-Dk qui preacutesente les plus grandes pertes

La norme NF EN 50541-1 relative aux transformateurs de types secs drsquoune puissance comprise entre 100 et 3150 kVA distingue deux niveaux de pertes dues agrave la charge (Ak Bk) et trois niveaux de pertes agrave vide (A0 B0 C0)

Les pertes Ak (respectivement A0) sont plus faibles que les pertes Bk (respectivement C0) Pour une mecircme utilisation un transformateur A0-Ak est plus efficace qursquoun transformateur C0-Bk qui preacutesente les plus grandes pertes

Les transformateurs de types secs ont des pertes supeacute-rieures agrave celles des transformateurs immergeacutes

Lrsquoannexe 1 Norme sur les pertes et le bruit en fin du guide preacutesente en deacutetail les niveaux des pertes

Schn

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3 Les transformateurs de distribution et lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique

31 Deacutefinition des pertes et du rendement

Les pertes des transformateurs comprennent principalement deux types de pertes bull les pertes agrave vide (P0) appeleacutees aussi pertes ferbull les pertes dues agrave la charge (Pk) auxquelles srsquoajoutent les pertes suppleacute-

mentaires geacuteneacutereacutees par les harmoniques de courant

311 Pertes agrave vide (P0)Ces pertes se produisent degraves que le transformateur est sous-tension elles sont lieacutees agrave la tension du reacuteseau drsquoalimentation qui creacutee un flux dans le circuit magneacutetique du transformateur

Ces pertes deacutependent de la freacutequence et de la tension appliqueacutee

En pratique la freacutequence fondamentale des reacuteseaux eacutelectriques est tregraves stable et si lrsquoon considegravere que les harmoniques de tension cocircteacute primaire ont peu drsquoimpact les pertes agrave vide sont constantes et indeacutependantes de la charge du transformateur

Elles se composent

1 Des pertes par hysteacutereacutesisElles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique Ces pertes deacutependent du type de mateacuteriau utiliseacute pour la construc-tion du circuit magneacutetique du transformateur et sont proportionnelles agrave la freacutequence Les pertes par hysteacutereacutesis peuvent aujourdrsquohui ecirctre reacuteduites par le choix de tocircles agrave grains orienteacutes lamineacutees agrave froid et ameacutelioreacutees par un traitement laser Les pertes par hysteacutereacutesis sont responsables de plus de la moitieacute des pertes agrave vide (entre 50 et 60 ) 2 Des pertes par courant de Foucault3

Elles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique produisant des courants de Foucault Elles deacutependent de lrsquoeacutepaisseur de la reacutesistiviteacute du mateacuteriau et du carreacute de la freacutequenceLes pertes par courant de Foucault repreacutesentent 40 agrave 50 des pertes agrave vide

Les pertes agrave vide repreacutesentent en moyenne de 01 agrave 02 de la puissance assigneacutee Sn

Les pertes des transformateurs

comprennent principalement deux

types de pertes pertes agrave vide et pertes

dues agrave la charge

31 Deacutefinition des pertes et du rendement 8

311 Pertes agrave vide (P0) 8

312 Pertes dues agrave la charge (Pk) 9

313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux harmoniques et agrave la puissance reacuteactive 10

314 Reacutepartition des pertes 11

315 Rendement 11

32 Normes et reacuteglementations applicables 12

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie 13

Gim

eacutelec

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312 Pertes dues agrave la charge (Pk)Elles sont composeacutees des

1 Pertes Joule dans les conducteurs des enroulements primaires et secondaires (PDC )4

2 Pertes parasites par courants de Foucault dans les enroulements (PWE )5

3 Pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions (PCE )6 pertes parasites dans les parties structurelles

meacutetalliques (PSE)7

Toutes les pertes sont variables car elles sont proportionnelles au carreacute du courant traversant les enroulements

Ces pertes sont lieacutees au fondamental du courant ainsi qursquoaux courants harmoniques dont il faut connaicirctre le spectre et lrsquoamplitude des composantes car ces courants harmoniques vont accroicirctre les pertes dues agrave la charge

Les pertes JouleCes pertes apparaissent dans les enroulements du transformateur et sont causeacutees par la reacutesistance du conducteur Leur amplitude varie en fonction du carreacute du courant de charge et est proportionnelle agrave la reacutesistance du bobinage Elles peuvent ecirctre reacuteduites en augmentant la section du conducteur

Les pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements Le courant alternatif lieacute au fonctionnement du transformateur et parcourant le conducteur constituant les enroulements engendre un champ magneacutetique Ce champ va ecirctre agrave lrsquoorigine de courants induits appeleacutes courants de Foucault se superposant au courant de fonctionnement et provoquant des pertes ohmiques suppleacutementaires eacutegalement appeleacutes pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements (P

WE)

Les pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions et dans les parties structurelles meacutetalliquesUn conducteur parcouru par un courant alternatif va creacuteer un champ drsquoinduction variable geacuteneacuterant un courant induit dans les parties meacutetalliques constituant la structure du transformateur et produire des pertes suppleacutementaires ces pertes sont appeleacutees pertes parasites par courant de Foucault dans les parties structurelles meacutetalliques (PSE) et dans les connexions agrave fort courant (PCE)

Les pertes dues agrave la charge repreacutesentent en moyenne de 07 agrave 1 de la puissance nominale assigneacutee (agrave 100 de la charge)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

8 9

3 Pheacutenomegravene deacutecouvert par le physicien franccedilais Leacuteon Foucault en 18514 P

DC Direct Current Loss

5 PWE

Winding Eddy Loss6 P

CE Connection Eddy loss

7 PSE Structural Stray Loss

ALS

MTO

M

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10010806

Rendement η ()

Cos ϕ

Facteur de charge ()

50

0

Figure 2 Scheacutema eacutequivalent des puissances

P

ϕ2

ϕ1

S2

Q2

Q1

S1

Q

Puissance utile neacutecessaire

Puissance apparente nominaledu transformateur

Consommation excessive de puissance reacuteactive Puissance du transformateur insuffisante

Figure 3 Allure du rendement pour diffeacuterents facteurs de charge et diffeacuterents cos ϕ 313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux

harmoniques et agrave la puissance reacuteactive

Ces pertes ont pour origine la puissance reacuteactive et les courants harmoniques

bull Sur la puissance reacuteactive

Comme le montre la figure ci-dessus on distingue trois puissances

bull la puissance apparente S (exprimeacutee en VA) celle appeleacutee par le transformateur sur le reacuteseau

Sa valeur est S = U x I x radic 3

bull la puissance active P (exprimeacutee en W) celle qui produit un travail utile consommeacute par lrsquoinstallation Pour caracteacuteriser la quantiteacute de puissance active dis-ponible on utilise la notion de facteur de puissance qui est eacutegal agrave PS et agrave cos ϕ La valeur de la puissance active est

P = U x I x radic 3 x cos ϕ

bull la puissance reacuteactive Q (exprimeacutee en VAR) qui est neacutecessaire pour magneacutetiser les circuits des charges tels les moteurs

Sa valeur est Q = U x I x radic 3 x sin ϕ

La puissance apparente est deacutefinie par la relation

S = radicP2 + Q2

La figure 2 preacutesente le scheacutema eacutequivalent des puis-sances et une consommation excessive de puissance reacuteactive due agrave un mauvais cos ϕ de lrsquoinstallation Pour une puissance active donneacutee plus la puissance reacuteactive sera importante et plus le transformateur sera chargeacute et srsquoeacutechauffera (entraicircnant une diminution de sa dureacutee de vie) Car crsquoest la valeur de la puissance apparente qui fixe la limite de puissance du transformateur

Drsquoautre part le rendement du transformateur varie avec le cos ϕ (voir figure 3)

Il est donc important de diminuer la puissance reacuteactive consommeacutee

bull Les courants harmoniquesLes courants harmoniques sont des courants dont la freacutequence est un multiple de la freacutequence principale provoqueacutes par les charges non lineacuteaires du reacuteseau (comme les ordinateurs certains variateurs de vitessehellip) Ils ont des reacutepercussions potentiellement dommageables pour les transformateurs non seulement ils augmentent les pertes en charge de faccedilon plus que proportionnelle agrave lrsquoaugmentation de la charge mais aussi la tempeacuterature des enroulements et de la structure meacutetallique du transformateur reacuteduisant ainsi la dureacutee de vie du transformateur

Les pertes geacuteneacutereacutees par les courants de Foucault deacutependent du carreacute de la freacutequence aussi la preacutesence drsquoharmoniques multiples de la freacutequence fondamentale de 50 Hz provoque des pertes suppleacutementaires dans les enroulements et les parties structurelles meacutetalliques

bull Le facteur K

Les courants harmoniques augmentent la valeur du courant efficace non seulement cela constitue deacutejagrave un facteur drsquoaccroissement des pertes mais en plus la freacutequence des composantes harmoniques accentue cet accroissement

Il y a deux approches pour eacutevaluer lrsquoeffet des courants harmoniques sur les pertes

bull Le facteur Kbull Le calcul des pertes qui neacutecessite la connaissance

preacutecise des caracteacuteristiques du transformateur utiliseacute

Le facteur K ou facteur de deacuteclassement est le plus souvent utiliseacute car il est simple agrave calculer et agrave exploiterIl permet drsquoestimer le taux du deacuteclassement du trans-formateur en calculant lrsquoinfluence des courants har-moniques sur la charge du transformateur On estime ainsi de combien un transformateur standard est deacute-classeacute pour que les pertes totales dues agrave une charge non lineacuteaire ne deacutepassent pas les pertes preacutevues pour la freacutequence fondamentale lors de la conception du transformateur

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LrsquoAnnexe 2 - Facteur K preacutesente plus en deacutetail le calcul du facteur K

bull Les solutions pour reacuteduire les pertes in-situ

Il nrsquoy a pas de moyens externes permettant de modifier les pertes agrave vide car elles ne sont pas influenceacutees par les charges Par contre deux moyens externes permettent de reacuteduire les pertes suppleacutementaires dues agrave la charge

1 Compensation reacuteactive (batterie de condensateurs)Cette compensation permet drsquooptimiser lrsquoutilisation de la puissance du transformateur et de reacuteduire les pertes agrave 50 Hz2 Filtrage des courants harmoniquesLes pertes srsquoaccroissent avec les courants harmoniques Il existe plusieurs solutions de reacuteduction des courants harmoniques dans les reacuteseaux pollueacutes connaissance et reacuteduction du taux drsquoharmoniques agrave la source utilisation drsquoinductances anti-harmoniques en seacuterie avec les condensateurs de compensation du reacuteactif insertion de filtre passif etou actifs etc

314 Reacutepartition des pertes

On peut reacutesumer la situation des pertes sous la forme du graphique ci-contre

Transfo agrave vide

Transfo en chargeagrave Inominal

(P0 = 10 agrave15 de PDC)

Transfo en chargeagrave 70 sansharmoniques

PWE + PCE + PSE ~ 60 agrave 70 de PDC

PWE + PCE + PSE ~ 10 de PDC

PDC

Augmentation de5 agrave 8 de PDC

Transfo en charge

agrave 70 avecharmoniquesde courants

PDC PDCPDC

P0 P0P0P0

Figure 4 Reacutepartition des pertes

AvecPCC pertes dues agrave la charge au courant assigneacute et agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

P0 pertes agrave vide agrave la tension et agrave la freacutequence assigneacutees

S puissance assigneacutee

α facteur de charge

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

10 11

8 Lrsquoextrait de la norme NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo est reproduit avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets de la norme telle que diffuseacutee par AFNOR Editions ndash accessible via le site internet wwwboutiqueafnororg ndash ont valeur normative

315 Rendement

La norme NF EN 50464-18 indique que le rendement drsquoun transformateur de puissance est donneacute pour toute condition de charge par le rapport entre la puissance de sortie (P2) et la puissance drsquoentreacutee (P1)

η = P2P1

En raison de la difficulteacute agrave deacuteterminer le rendement par des mesures directes il peut ecirctre eacutevalueacute conventionnellement par les pertes garanties ou mesureacutees comme suit

α2 PCC + P0

α S + α2 PCC + P0

η = 100 1- ()( )

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Il est souhaitable que le transformateur soit exploiteacute agrave une charge raisonnable comprise entre 40 et 60 de sa charge nominale mais cela deacutepend aussi drsquoautres paramegravetres (cos ϕ tempeacuterature ambiante cycle de chargehellip)

Si la charge est supeacuterieure agrave 75 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une augmentation de sa puissance

A lrsquoinverse si la charge est infeacuterieure agrave 40 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une reacuteduction de sa puissance

Pertes (W) Rendement ()

Facteur de charge ()0 10 20 30

η

Ptot

Pcc

P0

40 50 60 70 80 90 100

η rendement Ptot pertes totalesPcc pertes en charge P0 pertes agrave vide

Figure 5 Allure de rendement en fonctionde la charge

La courbe typique du rendement drsquoun transforma-teur en fonction de sa charge est la suivante

Elle montre les pertes agrave vide les pertes dues agrave la charge le rendement en fonction de la charge du transformateur

Sur lrsquoexemple de la figure 5 le rendement est maximum pour un facteur de charge de 40

Quelque soit la puissance du transformateur il existe toujours un maximum entre le rendement et le facteur de charge en geacuteneacuteral aux alentours de 40-50 de la charge nominale

Puissance 1000 kVA

Pertes selon NF EN 50464-1

Niveau de pertes D0 Dk C0 Ck B0 Bk A0 Ak

Pertes agrave vide (W) 1400 1100 940 770

Pertes dues agrave la charge (W) 13000 10500 9000 7600

Charge 85 9861 9888 9904 9919

65 9884 9906 9920 9932

50 9898 9918 9930 9941

30 9906 9925 9936 9946

Exemple du rendement selon le niveau de pertes et la valeur de la charge

32 Normes et reacuteglementations applicablesActuellement il nrsquoexiste pas en Europe de reacuteglementation speacutecifique sur lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs de distri-bution De fait lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs est encore peu traiteacutee dans les leacutegislations europeacuteennes et franccedilaises

Drsquoun point de vue normatif diffeacuterents documents sont en vigueur et des certifications existent pour garantir la qualiteacute des transformateurs (ceux concernant en prioriteacute le domaine eacutenergeacutetique sont surligneacutes)

bull NF EN 50464-1 pour les transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-7 guide de charge pour les transformateurs immergeacutes

bull NF EN 50541-1 pour les transformateurs de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-12 guide de charge pour transformateurs de type sec

bull NF EN 60076-1 agrave 60076-5 transformateurs de puissance

bull NF EN 60076-11 transformateurs de puissance de type sec

La directive Eco-Design (dite directive ErP) (2009125EC adopteacutee en 2009) est conccedilue pour ameacuteliorer les performances environnementales et eacutenergeacutetiques sur le cycle de vie des eacutequipements lieacutees agrave lrsquoeacutenergie aussi elle permet drsquointroduire des exigences de performance eacutenergeacutetique

Dans ce cadre une application aux transformateurs de distribution est en cours de preacuteparation Lrsquoeacutetude preacuteparatoire est en consultation sur le site wwwecotransformerorg

Concernant la reacuteglementation sur les PCB se reacutefeacuterer au site du ministegravere wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

12 13

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergieLe dispositif des CEE (Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie) repose sur une obligation drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie imposeacutee aux fournisseurs drsquoeacutenergie (eacutelectriciteacute gaz fioul carburants hellip) Ces entreprises laquo obligeacutees raquo doivent soutenir ou accompagner des investissements ou actions drsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie chez les consommateurs sous peine de peacutenaliteacuteLes fournisseurs drsquoeacutenergie sont en capaciteacute de soutenir ou drsquoaider lrsquoachat drsquoeacutequipements figurant entre autres dans la liste des opeacuterations standardiseacutees par des maicirctres drsquoouvrage (entreprises industrielles ou tertiaire collectiviteacutes) Concregravetement cette aide se neacutegocie en amont de lrsquoinvestissement directement aupregraves des fournisseurs drsquoeacutenergie ou parfois aupregraves des fabricants drsquoeacutequipements

Trois actions standardiseacutees concernent les transformateurs

bull La fiche IN-UT-10 (industrie) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel pour les transformateurs de distribution industriels Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche RES-EL-01 (secteur reacuteseaux) - transformateur agrave haut rendement pour la distribution publique drsquoeacutelectriciteacute Elle concerne la laquo mise en place drsquoun transformateur de distribution publique agrave haut rendement (faibles pertes) triphaseacute immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 50 et 1 000 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie B0 ou A0 pour les pertes agrave vide Ck Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche BAT-EQ-21 (secteur des bacirctiments tertiaires) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes en charge

A noter que drsquoautres fiches sur

les transformateurs sont susceptibles drsquoecirctre ajouteacutees mais il nrsquoexiste pas encore

de fiches speacutecifiques aux transformateurs

de type secs

Estimation des kWh cumac

kWh cumac Pertes agrave vide Pertes en charge Coefficient de pertes en charge Total

2 transformateurs de 1 600 kVA 2 times 123 800 2 times 990 500 06 1 436 2002 transformateurs de 2 000 kVA 2 times 154 800 2 times 1 361 900 06 1 943 8801 transformateur de 2 500 kVA 1 times 179 500 1 times 1 671 500 06 1 182 400Total 736 700 6 376 300 06 4 562 480Pour en savoir plus Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

Extrait de la fiche IND-UT-10 pour calculer les kWh cumac

Pertes agrave vide Pertes en charge Mode de fonctionnement du site

Coefficient de pertes en charge

kVA C0 B0 A0 + Bk Ak x 1 x 8 02250 27 900 35 900 43 300 61 900 111 400 2 x 8 04315 31 000 40 900 50 800 80 500 136 200 3 x 8 avec arrecirct le WE 05400 39 600 50 800 61 900 92 900 167 100 3 x 8 sans arrecirct le WE 06500 47 000 60 700 73 000 111 400 198 100630 54 500 70 600 86 700 136 200 235 200800 27 200 43 300 61 900 433 300 557 200

1 000 37 100 57 000 78 000 495 300 668 6001250 49 500 74 300 99 100 619 100 804 8001 600 61 900 92 900 123 800 742 900 990 5002 000 74 300 111 400 154 800 990 500 1 361 9002 500 86 700 130 000 179 500 1 238 100 1 671 500

Exemple Une entreprise industrielle peut valoriser le remplacement de ses vieux transformateurs eacutenergivores par des transformateurs agrave pertes reacuteduitesLrsquoindustriel exploite 5 transformateurs deux de 1 600 kVA deux de 2 000 kVA et un de 2 500 kVA en 3x8 y compris le week-end Dans le cas de leur remplacement par des transformateurs de type A0Ak et selon la fiche IND-UT-10 cela correspond agrave 45 GWh cumac

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4 Le coucirct des pertes

41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14

411 Coucirct annuel des pertes 14

412 Coucirct global des transformateurs 15

413 La charge des transformateurs

profil de charge et pic de charge 15

42 Exemple 16

Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie

Exemple de charge pondeacutereacutee sur une journeacutee sur un site industriel

150

03

1

065

085

05

085

03

390 720 810 1320 1440Minutes

Fact

eur

de c

harg

e

Facteur de charge pondeacutereacutee 0724

K 2H x tsumt = 1440

t = 01440

41 Preacutesentation geacuteneacuterale

411 Coucirct annuel des pertes

Les pertes annuelles drsquoun transformateur peuvent ecirctre eacutevalueacutees selon la formule suivante

WPertes = (P0 + Pk times Ksup2 ) times 8760

Ougrave

WPertes montant des pertes annuelles en kWh

P0 pertes agrave vide en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

Pk pertes en charge en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

K facteur de charge pondeacutereacutee sur lrsquoanneacutee

8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)

Un exemple de calcul du facteur de charge pondeacutereacutee est donneacute ci-apregraves

Sur un jour (1440 minutes) le facteur de charge pondeacutereacutee est eacutegal agrave

Soit aussi

(032 x 150 + 0652 x 240 + 0852 x 330 + 052 x 90 + 0852 x 510 + 032 x 120) 1440

La charge pondeacutereacutee journaliegravere est alors de 0724

Charge pondeacutereacutee annuelle =

Pour eacutevaluer le coucirct des pertes durant la vie du transformateur il doit ecirctre actualiseacute en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le temps9

Ce calcul est appeleacute le laquo Coucirct Total Actualiseacute des pertes raquo Il est deacutefini par la formule suivante

Ougrave

C eacutevaluation du coucirct moyen par kWh par an

WPertes pertes annuelles

i taux drsquoactualisation

n dureacutee de vie espeacutereacutee du transformateur (en anneacutees)

K 2j x JsumJ = 365

J = 1365

CTApertes = C x WPertes x (1 + i)n - 1i x ( + i)n

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412 Coucirct global des transformateurs

Pour eacutevaluer eacuteconomiquement lrsquoachat drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie comme pour les pertes les coucircts drsquoachat drsquoexploitation et de maintenance doivent ecirctre compareacutes en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le tempsCertaines simplifications peuvent ecirctre retenues bien que chaque transformateur ait son propre coucirct drsquoachat et ses propres pertes les autres coucircts ceux drsquoinstallation de maintenance et drsquoeacutelimination en fin de vie sont sensiblement les mecircmes pour tous les types de transformateur de puissance identique et ils peuvent ne pas ecirctre pris en compte

Le calcul du coucirct global peut ecirctre calculeacute selon la formule suivante

CTO = PP + A times P0 + B times Pk

Lrsquoeacutevaluation des facteurs A et B est deacutelicate puisqursquoelle deacutepend de lrsquoeacutevolution du reacutegime de charge du transformateur du coucirct de lrsquoeacutenergie du taux drsquoactualisation et aussi de la dureacutee de vie eacuteconomique preacutevueIl faut aussi tenir compte de lrsquoeacutevolution de la charge et du prix de lrsquoeacutenergie durant la vie du transformateurTypiquement la fourchette de prix pour A se situe entre 6 et 10 euroW et pour B entre 1 et 4 euroWUne meacutethode relativement simple est proposeacutee ci-dessous permettant de deacuteterminer les facteurs A et B pour les transformateurs de distribution

A et B sont calculeacutes comme suit (pertes agrave vide actualiseacutees)

Ces formules reposent sur lrsquohypothegravese que le coucirct de lrsquoeacutenergie et le niveau de charge sont constants tout au long de la dureacutee de vie du transformateur

413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge

Les conditions de charge des transformateurs sont probablement le facteur le plus important agrave consideacuterer pour seacutelectionner de faccedilon optimale des transformateurs selon le niveau de pertesDe maniegravere geacuteneacuterale pour les transformateurs tregraves fortement chargeacutes lrsquoattention doit se porter sur les pertes dues agrave la charge et pour ceux agrave faible charge sur les pertes agrave videLes transformateurs dans le secteur industriel de lrsquoUE-27 ont une charge moyenne de 40 environ et un pic de charge de 70 10 En comparaison la charge moyenne des transformateurs chez les distributeurs drsquoeacutenergie eacutelectrique dans lrsquoUE-27 est drsquoenviron 20 et le pic de charge est de 55 environ

9 Le concept du laquo coucirct de lrsquoargent raquo signifie qursquoune somme drsquoargent disponible immeacutediatement a une valeur plus importante que la mecircme somme disponible plus tard10 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

14 15

(1 + i)n - 1i x (1 + i)nA = CkWh x 8760 x

(1 + i)n - 1i x ( 1 + i)nB = CkWh x 8760 x k2 x

Ougrave

i taux drsquoactualisation ( an)n dureacutee de vie (en anneacutee)C kWh prix du kWh (eurokWh) 8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)k facteur de charge pondeacutereacute sur lrsquoanneacutee

OugravePP coucirct drsquoachat du transformateurA coucirct des pertes agrave vide (exprimeacute en euroW)P0 total des pertes agrave vide garanties B coucirct des pertes dues agrave la charge (exprimeacute en euroW)Pk pertes dues agrave la charge garanties

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42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 5: Ademe Transfo WEB

1 Introduction

11 Contexte

bull Les transformateurs de distribution eacutelectrique des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques publics et priveacutes

Les transformateurs de distribution (TD) constituent un eacuteleacutement essentiel du reacuteseau eacutelectrique Ils sont utiliseacutes pour changer une tension en geacuteneacuteral de 10 kV agrave 36 kV en une autre tension preacutefeacuterentielle de 400 agrave 440 V utilisable par le secteur reacutesidentiel le tertiaire et lrsquoindustrie

bull De bonnes performances eacutenergeacutetiques mais une marge de progregraves certaine

Aujourdrsquohui dans lrsquoUnion europeacuteenne (UE) les pertes1 des transformateurs de distribution et industriels repreacutesentent quasiment 40 TWh (de fait 399 TWh) par an les pertes du reacuteseau eacutelectrique totalisant 200 TWh reacuteparties ainsi

bull environ 225 TWh de pertes dans les transformateurs de distributionbull environ 122 TWh dans les transformateurs de distribution utiliseacutes

en industriebull environ 52 TWh dues agrave la puissance reacuteactive et aux harmoniques

ous transformateurs confondus

En France les pertes annuelles des transformateurs de lrsquoindustrie sont estimeacutees agrave 22 TWh La diffusion de transformateur agrave pertes reacuteduites est relativement faible Crsquoest pourquoi il existe un gisement technique drsquoeacuteco-nomie drsquoeacutenergie de lrsquoordre de 11 TWh2Les transformateurs ont de bonnes performances avec des rendements supeacuterieurs agrave 98 Neacuteanmoins eacutetant donneacute leur fonctionnement continu 24h24h une augmentation de leur efficaciteacute permet des eacuteconomies importantes le remplacement de tous les transformateurs de lrsquoUE par les eacutequipements les plus efficaces permettrait une reacuteduction des pertes drsquoenviron 185 TWhan (soit avec un coucirct estimeacute de 10 c eurokWh pour lrsquoUE une eacuteconomie de 185 milliards drsquoeuros)

Ce guide preacutesente outre des donneacutees techniques sur les transformateurs de distribution des recommandations sur les bonnes pratiques agrave mettre en oeuvre pour choisir et utiliser un transformateur de distributionCe guide est baseacute sur les eacutetudes mandateacutees par la commission europeacuteenne (projet SEEDT en 2005 et lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO en 2011 pour la directive ErP sur les transformateurs de distribution) et les normes (CENELEC UTE-AFNOR)

11 Le contexte des eacuteconomies drsquoeacutenergie et des transformateurs 4

bull Les transformateurs de distribution eacutelectrique des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques 4

bull De bonnes performances eacutenergeacutetiques mais une marge de progregraves certaine 4

12 Le parc et le marcheacute des transformateurs de distribution en France et en Europe 5

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12 Le parc et le marcheacute des transformateurs de distribution en France et en Europe1

Environ 47 millions de transformateurs sont en fonction-nement dans les 27 Pays membres de lrsquoUnion europeacuteenne (UEndash27)

bull 37 millions de transformateurs de distribution dont la puissance moyenne varie selon les pays de 116 agrave 369 kVA

bull 1 million de transformateurs de distribution utiliseacutes en industrie dont - 800 000 transformateurs immergeacutes leur puissance

moyenne eacutetant drsquoenviron 400 kVA- 200 000 transformateurs secs avec une puissance

moyenne drsquoenviron 800 kVA - En France les transformateurs industriels repreacutesentent

environ 250 000 uniteacutes

En Europe plus des 23 des transformateurs installeacutes ont une puissance moyenne infeacuterieure agrave 400 kVA (la plupart se situant autour de 250 kVA avec un faible pourcentage autour de 315 kVA) Les uniteacutes les plus reacutecentes sont plus puissantes

Le marcheacute annuel europeacuteen est drsquoenviron 140 000 trans-formateurs en nouvelles installations et en remplacement de ceux en fonctionnement soit environ 3 du parc existant

Parc en fonctionnement UE-27 Marcheacute UE-27

Nombre MVA Nombre MVA

Distribution (TD agrave huile)

lt 400 kVA 2 688 000 313 000 56 000 7 000

ge 400 kVA et le 630 kVA 861 000 441 000 23 000 12 000

gt 630 kVA 127 000 157 000 6 000 8 000

Total 3 676 000 911 000 85 000 27 000

Industriels (TD agrave huile)

lt 400 kVA 493 000 66 000 24 000 3 000

ge 400 kVA et le 630 181 000 90 000 8 000 4 000

gt 630 kVA 127 000 173 000 6 000 8 000

Total 802 000 330 000 38 000 15 000

Industriels (TD secs)

lt 400 kVA 39 000 13 000 3 000 1 000

ge 400 kVA et le 630 69 000 41 000 5 000 3 000

gt 630 kVA 66 000 90 000 8 000 11 000

Total 174 000 144 000 16 000 14 000

Total 4 652 000 1 385 000 139 000 56 000

le marcheacute de la distribution des TD secs est relativement moins important que celui des transformateurs immergeacutesSur le tableau 1 il apparaicirct clairement que les uniteacutes de faible puissance sont majoritairement preacutesentes dans le secteur de la distribution Parallegravelement les transformateurs de forte puissance sont preacutedominants dans le secteur industriel notamment pour les transformateurs secs

Tableau 1 Parc et marcheacute des transformateurs de distribution et industriel dans lrsquoUE en 20041

1 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution2 Etude Ceren 2010 mandateacutee par EDF RTE et lrsquoADEME

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

4 5

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2 Les transformateurs de distribution deacutefinition types et principales caracteacuteristiques

21 Deacutefinition

Les transformateurs de distribution sont utiliseacutes dans les reacuteseaux eacutelectriques pour modifier et adapter les valeurs de tensions et courants

Scheacutematiquement un transformateur se compose de deux enroulements (ou bobines) entourant un circuit magneacutetique (appeleacute encore noyau constitueacute de tocircles magneacutetiques) Chaque bobine est constitueacutee de spires mateacuteriau conducteur comme le cuivre ou lrsquoaluminium isoleacutees les unes des autres Elles sont relieacutees agrave deux reacuteseaux eacutelectriques de tension diffeacuterenteUne tension alternative drsquoalimentation aux bornes de lrsquoune des bobines geacutenegravere un flux magneacutetique variable (et donc une induction magneacutetique dans le circuit magneacutetique) creacuteant une tension induite dans lrsquoautre bobine Le rapport de tension entre les deux bobines est proportionnel aux nombres de spires

Pour les transformateurs

immergeacutes et les transformateurs de type

secs des normes speacutecifiques indiquent les niveaux de

pertes en fonction de la puissance

21 Deacutefinition 6

22 Types 7

23 Principales caracteacuteristiques 7

Figure 1 Scheacutema de principe drsquoun transformateur abaisseur

DEUX CIRCUITS ELECTRIQUES

UN CIRCUIT MAGNETIQUE

U1

I1

U2

I2

Circuit dalimentation(haute tension) Circuit

drsquoutilisation(basse tension)

N1 N

2

Enroulementprimaire

Enroulementsecondaire

SIEM

ENS

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Un transformateur fonctionne en geacuteneacuteral agrave une charge t infeacuterieure agrave 100 soit une puissance effective deacutefinie par

Peff (en kW) = k x Sn (en kVA) x cos ϕ

k repreacutesente le facteur de charge t sous la tension en charge

23 Principales caracteacuteristiques

Les transformateurs se caracteacuterisent par

bull la reacutefeacuterence normative (NF EN 50464-1 par exemple)bull la freacutequence assigneacuteebull le type (immergeacute sec) et la nature du dieacutelectrique en

cas de transformateur immergeacute (huile mineacuterale ester naturel ou de synthegravese ou autre)

bull leur puissance assigneacutee exprimeacutee en kVA (Sn)bull les tensions assigneacutees primaire et secondaire (Ur) (parfois appeleacutees aussi nominales) exprimeacutees en V bull le couplage et lrsquoindice horairebull les niveaux de pertes dues agrave la charge (Pk en W)bull le niveau de pertes agrave vide (P0 en W)

bull le type de refroidissement - pour les transformateurs de type secs AN (air naturel)

AF (air forceacute) - pour les transformateurs immergeacutes ONAN (huile

naturel air naturel)bull lrsquoanneacutee de constructionbull les reacuteparations eacuteventuelles effectueacutees (rebobinage

huile dieacutelectriquehellip)bull les eacutequipements de protection (relais de protection

capots de protectionhellip)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

6 7

22 Types

Pour les transformateurs immergeacutes et les transformateurs de type secs les normes indiquent les niveaux des pertes en fonction de la puissance

La norme NF EN 50464-1 relative aux transformateurs immergeacutes drsquoune puissance comprise entre 50 et 2500 kVA distingue quatre niveaux de pertes dues agrave la charge (Ak - Bk - Ck et Dk) et cinq niveaux de pertes agrave vide (A0 - B0 - C0 - D0 et E0) Les pertes Ak (respectivement A0) sont plus faibles que les pertes Dk (respectivement E0) Pour une mecircme utilisation un transformateur A0-Ak est plus efficace qursquoun transformateur E0-Dk qui preacutesente les plus grandes pertes

La norme NF EN 50541-1 relative aux transformateurs de types secs drsquoune puissance comprise entre 100 et 3150 kVA distingue deux niveaux de pertes dues agrave la charge (Ak Bk) et trois niveaux de pertes agrave vide (A0 B0 C0)

Les pertes Ak (respectivement A0) sont plus faibles que les pertes Bk (respectivement C0) Pour une mecircme utilisation un transformateur A0-Ak est plus efficace qursquoun transformateur C0-Bk qui preacutesente les plus grandes pertes

Les transformateurs de types secs ont des pertes supeacute-rieures agrave celles des transformateurs immergeacutes

Lrsquoannexe 1 Norme sur les pertes et le bruit en fin du guide preacutesente en deacutetail les niveaux des pertes

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3 Les transformateurs de distribution et lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique

31 Deacutefinition des pertes et du rendement

Les pertes des transformateurs comprennent principalement deux types de pertes bull les pertes agrave vide (P0) appeleacutees aussi pertes ferbull les pertes dues agrave la charge (Pk) auxquelles srsquoajoutent les pertes suppleacute-

mentaires geacuteneacutereacutees par les harmoniques de courant

311 Pertes agrave vide (P0)Ces pertes se produisent degraves que le transformateur est sous-tension elles sont lieacutees agrave la tension du reacuteseau drsquoalimentation qui creacutee un flux dans le circuit magneacutetique du transformateur

Ces pertes deacutependent de la freacutequence et de la tension appliqueacutee

En pratique la freacutequence fondamentale des reacuteseaux eacutelectriques est tregraves stable et si lrsquoon considegravere que les harmoniques de tension cocircteacute primaire ont peu drsquoimpact les pertes agrave vide sont constantes et indeacutependantes de la charge du transformateur

Elles se composent

1 Des pertes par hysteacutereacutesisElles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique Ces pertes deacutependent du type de mateacuteriau utiliseacute pour la construc-tion du circuit magneacutetique du transformateur et sont proportionnelles agrave la freacutequence Les pertes par hysteacutereacutesis peuvent aujourdrsquohui ecirctre reacuteduites par le choix de tocircles agrave grains orienteacutes lamineacutees agrave froid et ameacutelioreacutees par un traitement laser Les pertes par hysteacutereacutesis sont responsables de plus de la moitieacute des pertes agrave vide (entre 50 et 60 ) 2 Des pertes par courant de Foucault3

Elles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique produisant des courants de Foucault Elles deacutependent de lrsquoeacutepaisseur de la reacutesistiviteacute du mateacuteriau et du carreacute de la freacutequenceLes pertes par courant de Foucault repreacutesentent 40 agrave 50 des pertes agrave vide

Les pertes agrave vide repreacutesentent en moyenne de 01 agrave 02 de la puissance assigneacutee Sn

Les pertes des transformateurs

comprennent principalement deux

types de pertes pertes agrave vide et pertes

dues agrave la charge

31 Deacutefinition des pertes et du rendement 8

311 Pertes agrave vide (P0) 8

312 Pertes dues agrave la charge (Pk) 9

313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux harmoniques et agrave la puissance reacuteactive 10

314 Reacutepartition des pertes 11

315 Rendement 11

32 Normes et reacuteglementations applicables 12

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie 13

Gim

eacutelec

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312 Pertes dues agrave la charge (Pk)Elles sont composeacutees des

1 Pertes Joule dans les conducteurs des enroulements primaires et secondaires (PDC )4

2 Pertes parasites par courants de Foucault dans les enroulements (PWE )5

3 Pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions (PCE )6 pertes parasites dans les parties structurelles

meacutetalliques (PSE)7

Toutes les pertes sont variables car elles sont proportionnelles au carreacute du courant traversant les enroulements

Ces pertes sont lieacutees au fondamental du courant ainsi qursquoaux courants harmoniques dont il faut connaicirctre le spectre et lrsquoamplitude des composantes car ces courants harmoniques vont accroicirctre les pertes dues agrave la charge

Les pertes JouleCes pertes apparaissent dans les enroulements du transformateur et sont causeacutees par la reacutesistance du conducteur Leur amplitude varie en fonction du carreacute du courant de charge et est proportionnelle agrave la reacutesistance du bobinage Elles peuvent ecirctre reacuteduites en augmentant la section du conducteur

Les pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements Le courant alternatif lieacute au fonctionnement du transformateur et parcourant le conducteur constituant les enroulements engendre un champ magneacutetique Ce champ va ecirctre agrave lrsquoorigine de courants induits appeleacutes courants de Foucault se superposant au courant de fonctionnement et provoquant des pertes ohmiques suppleacutementaires eacutegalement appeleacutes pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements (P

WE)

Les pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions et dans les parties structurelles meacutetalliquesUn conducteur parcouru par un courant alternatif va creacuteer un champ drsquoinduction variable geacuteneacuterant un courant induit dans les parties meacutetalliques constituant la structure du transformateur et produire des pertes suppleacutementaires ces pertes sont appeleacutees pertes parasites par courant de Foucault dans les parties structurelles meacutetalliques (PSE) et dans les connexions agrave fort courant (PCE)

Les pertes dues agrave la charge repreacutesentent en moyenne de 07 agrave 1 de la puissance nominale assigneacutee (agrave 100 de la charge)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

8 9

3 Pheacutenomegravene deacutecouvert par le physicien franccedilais Leacuteon Foucault en 18514 P

DC Direct Current Loss

5 PWE

Winding Eddy Loss6 P

CE Connection Eddy loss

7 PSE Structural Stray Loss

ALS

MTO

M

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10010806

Rendement η ()

Cos ϕ

Facteur de charge ()

50

0

Figure 2 Scheacutema eacutequivalent des puissances

P

ϕ2

ϕ1

S2

Q2

Q1

S1

Q

Puissance utile neacutecessaire

Puissance apparente nominaledu transformateur

Consommation excessive de puissance reacuteactive Puissance du transformateur insuffisante

Figure 3 Allure du rendement pour diffeacuterents facteurs de charge et diffeacuterents cos ϕ 313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux

harmoniques et agrave la puissance reacuteactive

Ces pertes ont pour origine la puissance reacuteactive et les courants harmoniques

bull Sur la puissance reacuteactive

Comme le montre la figure ci-dessus on distingue trois puissances

bull la puissance apparente S (exprimeacutee en VA) celle appeleacutee par le transformateur sur le reacuteseau

Sa valeur est S = U x I x radic 3

bull la puissance active P (exprimeacutee en W) celle qui produit un travail utile consommeacute par lrsquoinstallation Pour caracteacuteriser la quantiteacute de puissance active dis-ponible on utilise la notion de facteur de puissance qui est eacutegal agrave PS et agrave cos ϕ La valeur de la puissance active est

P = U x I x radic 3 x cos ϕ

bull la puissance reacuteactive Q (exprimeacutee en VAR) qui est neacutecessaire pour magneacutetiser les circuits des charges tels les moteurs

Sa valeur est Q = U x I x radic 3 x sin ϕ

La puissance apparente est deacutefinie par la relation

S = radicP2 + Q2

La figure 2 preacutesente le scheacutema eacutequivalent des puis-sances et une consommation excessive de puissance reacuteactive due agrave un mauvais cos ϕ de lrsquoinstallation Pour une puissance active donneacutee plus la puissance reacuteactive sera importante et plus le transformateur sera chargeacute et srsquoeacutechauffera (entraicircnant une diminution de sa dureacutee de vie) Car crsquoest la valeur de la puissance apparente qui fixe la limite de puissance du transformateur

Drsquoautre part le rendement du transformateur varie avec le cos ϕ (voir figure 3)

Il est donc important de diminuer la puissance reacuteactive consommeacutee

bull Les courants harmoniquesLes courants harmoniques sont des courants dont la freacutequence est un multiple de la freacutequence principale provoqueacutes par les charges non lineacuteaires du reacuteseau (comme les ordinateurs certains variateurs de vitessehellip) Ils ont des reacutepercussions potentiellement dommageables pour les transformateurs non seulement ils augmentent les pertes en charge de faccedilon plus que proportionnelle agrave lrsquoaugmentation de la charge mais aussi la tempeacuterature des enroulements et de la structure meacutetallique du transformateur reacuteduisant ainsi la dureacutee de vie du transformateur

Les pertes geacuteneacutereacutees par les courants de Foucault deacutependent du carreacute de la freacutequence aussi la preacutesence drsquoharmoniques multiples de la freacutequence fondamentale de 50 Hz provoque des pertes suppleacutementaires dans les enroulements et les parties structurelles meacutetalliques

bull Le facteur K

Les courants harmoniques augmentent la valeur du courant efficace non seulement cela constitue deacutejagrave un facteur drsquoaccroissement des pertes mais en plus la freacutequence des composantes harmoniques accentue cet accroissement

Il y a deux approches pour eacutevaluer lrsquoeffet des courants harmoniques sur les pertes

bull Le facteur Kbull Le calcul des pertes qui neacutecessite la connaissance

preacutecise des caracteacuteristiques du transformateur utiliseacute

Le facteur K ou facteur de deacuteclassement est le plus souvent utiliseacute car il est simple agrave calculer et agrave exploiterIl permet drsquoestimer le taux du deacuteclassement du trans-formateur en calculant lrsquoinfluence des courants har-moniques sur la charge du transformateur On estime ainsi de combien un transformateur standard est deacute-classeacute pour que les pertes totales dues agrave une charge non lineacuteaire ne deacutepassent pas les pertes preacutevues pour la freacutequence fondamentale lors de la conception du transformateur

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LrsquoAnnexe 2 - Facteur K preacutesente plus en deacutetail le calcul du facteur K

bull Les solutions pour reacuteduire les pertes in-situ

Il nrsquoy a pas de moyens externes permettant de modifier les pertes agrave vide car elles ne sont pas influenceacutees par les charges Par contre deux moyens externes permettent de reacuteduire les pertes suppleacutementaires dues agrave la charge

1 Compensation reacuteactive (batterie de condensateurs)Cette compensation permet drsquooptimiser lrsquoutilisation de la puissance du transformateur et de reacuteduire les pertes agrave 50 Hz2 Filtrage des courants harmoniquesLes pertes srsquoaccroissent avec les courants harmoniques Il existe plusieurs solutions de reacuteduction des courants harmoniques dans les reacuteseaux pollueacutes connaissance et reacuteduction du taux drsquoharmoniques agrave la source utilisation drsquoinductances anti-harmoniques en seacuterie avec les condensateurs de compensation du reacuteactif insertion de filtre passif etou actifs etc

314 Reacutepartition des pertes

On peut reacutesumer la situation des pertes sous la forme du graphique ci-contre

Transfo agrave vide

Transfo en chargeagrave Inominal

(P0 = 10 agrave15 de PDC)

Transfo en chargeagrave 70 sansharmoniques

PWE + PCE + PSE ~ 60 agrave 70 de PDC

PWE + PCE + PSE ~ 10 de PDC

PDC

Augmentation de5 agrave 8 de PDC

Transfo en charge

agrave 70 avecharmoniquesde courants

PDC PDCPDC

P0 P0P0P0

Figure 4 Reacutepartition des pertes

AvecPCC pertes dues agrave la charge au courant assigneacute et agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

P0 pertes agrave vide agrave la tension et agrave la freacutequence assigneacutees

S puissance assigneacutee

α facteur de charge

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

10 11

8 Lrsquoextrait de la norme NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo est reproduit avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets de la norme telle que diffuseacutee par AFNOR Editions ndash accessible via le site internet wwwboutiqueafnororg ndash ont valeur normative

315 Rendement

La norme NF EN 50464-18 indique que le rendement drsquoun transformateur de puissance est donneacute pour toute condition de charge par le rapport entre la puissance de sortie (P2) et la puissance drsquoentreacutee (P1)

η = P2P1

En raison de la difficulteacute agrave deacuteterminer le rendement par des mesures directes il peut ecirctre eacutevalueacute conventionnellement par les pertes garanties ou mesureacutees comme suit

α2 PCC + P0

α S + α2 PCC + P0

η = 100 1- ()( )

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Il est souhaitable que le transformateur soit exploiteacute agrave une charge raisonnable comprise entre 40 et 60 de sa charge nominale mais cela deacutepend aussi drsquoautres paramegravetres (cos ϕ tempeacuterature ambiante cycle de chargehellip)

Si la charge est supeacuterieure agrave 75 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une augmentation de sa puissance

A lrsquoinverse si la charge est infeacuterieure agrave 40 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une reacuteduction de sa puissance

Pertes (W) Rendement ()

Facteur de charge ()0 10 20 30

η

Ptot

Pcc

P0

40 50 60 70 80 90 100

η rendement Ptot pertes totalesPcc pertes en charge P0 pertes agrave vide

Figure 5 Allure de rendement en fonctionde la charge

La courbe typique du rendement drsquoun transforma-teur en fonction de sa charge est la suivante

Elle montre les pertes agrave vide les pertes dues agrave la charge le rendement en fonction de la charge du transformateur

Sur lrsquoexemple de la figure 5 le rendement est maximum pour un facteur de charge de 40

Quelque soit la puissance du transformateur il existe toujours un maximum entre le rendement et le facteur de charge en geacuteneacuteral aux alentours de 40-50 de la charge nominale

Puissance 1000 kVA

Pertes selon NF EN 50464-1

Niveau de pertes D0 Dk C0 Ck B0 Bk A0 Ak

Pertes agrave vide (W) 1400 1100 940 770

Pertes dues agrave la charge (W) 13000 10500 9000 7600

Charge 85 9861 9888 9904 9919

65 9884 9906 9920 9932

50 9898 9918 9930 9941

30 9906 9925 9936 9946

Exemple du rendement selon le niveau de pertes et la valeur de la charge

32 Normes et reacuteglementations applicablesActuellement il nrsquoexiste pas en Europe de reacuteglementation speacutecifique sur lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs de distri-bution De fait lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs est encore peu traiteacutee dans les leacutegislations europeacuteennes et franccedilaises

Drsquoun point de vue normatif diffeacuterents documents sont en vigueur et des certifications existent pour garantir la qualiteacute des transformateurs (ceux concernant en prioriteacute le domaine eacutenergeacutetique sont surligneacutes)

bull NF EN 50464-1 pour les transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-7 guide de charge pour les transformateurs immergeacutes

bull NF EN 50541-1 pour les transformateurs de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-12 guide de charge pour transformateurs de type sec

bull NF EN 60076-1 agrave 60076-5 transformateurs de puissance

bull NF EN 60076-11 transformateurs de puissance de type sec

La directive Eco-Design (dite directive ErP) (2009125EC adopteacutee en 2009) est conccedilue pour ameacuteliorer les performances environnementales et eacutenergeacutetiques sur le cycle de vie des eacutequipements lieacutees agrave lrsquoeacutenergie aussi elle permet drsquointroduire des exigences de performance eacutenergeacutetique

Dans ce cadre une application aux transformateurs de distribution est en cours de preacuteparation Lrsquoeacutetude preacuteparatoire est en consultation sur le site wwwecotransformerorg

Concernant la reacuteglementation sur les PCB se reacutefeacuterer au site du ministegravere wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

12 13

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergieLe dispositif des CEE (Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie) repose sur une obligation drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie imposeacutee aux fournisseurs drsquoeacutenergie (eacutelectriciteacute gaz fioul carburants hellip) Ces entreprises laquo obligeacutees raquo doivent soutenir ou accompagner des investissements ou actions drsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie chez les consommateurs sous peine de peacutenaliteacuteLes fournisseurs drsquoeacutenergie sont en capaciteacute de soutenir ou drsquoaider lrsquoachat drsquoeacutequipements figurant entre autres dans la liste des opeacuterations standardiseacutees par des maicirctres drsquoouvrage (entreprises industrielles ou tertiaire collectiviteacutes) Concregravetement cette aide se neacutegocie en amont de lrsquoinvestissement directement aupregraves des fournisseurs drsquoeacutenergie ou parfois aupregraves des fabricants drsquoeacutequipements

Trois actions standardiseacutees concernent les transformateurs

bull La fiche IN-UT-10 (industrie) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel pour les transformateurs de distribution industriels Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche RES-EL-01 (secteur reacuteseaux) - transformateur agrave haut rendement pour la distribution publique drsquoeacutelectriciteacute Elle concerne la laquo mise en place drsquoun transformateur de distribution publique agrave haut rendement (faibles pertes) triphaseacute immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 50 et 1 000 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie B0 ou A0 pour les pertes agrave vide Ck Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche BAT-EQ-21 (secteur des bacirctiments tertiaires) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes en charge

A noter que drsquoautres fiches sur

les transformateurs sont susceptibles drsquoecirctre ajouteacutees mais il nrsquoexiste pas encore

de fiches speacutecifiques aux transformateurs

de type secs

Estimation des kWh cumac

kWh cumac Pertes agrave vide Pertes en charge Coefficient de pertes en charge Total

2 transformateurs de 1 600 kVA 2 times 123 800 2 times 990 500 06 1 436 2002 transformateurs de 2 000 kVA 2 times 154 800 2 times 1 361 900 06 1 943 8801 transformateur de 2 500 kVA 1 times 179 500 1 times 1 671 500 06 1 182 400Total 736 700 6 376 300 06 4 562 480Pour en savoir plus Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

Extrait de la fiche IND-UT-10 pour calculer les kWh cumac

Pertes agrave vide Pertes en charge Mode de fonctionnement du site

Coefficient de pertes en charge

kVA C0 B0 A0 + Bk Ak x 1 x 8 02250 27 900 35 900 43 300 61 900 111 400 2 x 8 04315 31 000 40 900 50 800 80 500 136 200 3 x 8 avec arrecirct le WE 05400 39 600 50 800 61 900 92 900 167 100 3 x 8 sans arrecirct le WE 06500 47 000 60 700 73 000 111 400 198 100630 54 500 70 600 86 700 136 200 235 200800 27 200 43 300 61 900 433 300 557 200

1 000 37 100 57 000 78 000 495 300 668 6001250 49 500 74 300 99 100 619 100 804 8001 600 61 900 92 900 123 800 742 900 990 5002 000 74 300 111 400 154 800 990 500 1 361 9002 500 86 700 130 000 179 500 1 238 100 1 671 500

Exemple Une entreprise industrielle peut valoriser le remplacement de ses vieux transformateurs eacutenergivores par des transformateurs agrave pertes reacuteduitesLrsquoindustriel exploite 5 transformateurs deux de 1 600 kVA deux de 2 000 kVA et un de 2 500 kVA en 3x8 y compris le week-end Dans le cas de leur remplacement par des transformateurs de type A0Ak et selon la fiche IND-UT-10 cela correspond agrave 45 GWh cumac

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4 Le coucirct des pertes

41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14

411 Coucirct annuel des pertes 14

412 Coucirct global des transformateurs 15

413 La charge des transformateurs

profil de charge et pic de charge 15

42 Exemple 16

Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie

Exemple de charge pondeacutereacutee sur une journeacutee sur un site industriel

150

03

1

065

085

05

085

03

390 720 810 1320 1440Minutes

Fact

eur

de c

harg

e

Facteur de charge pondeacutereacutee 0724

K 2H x tsumt = 1440

t = 01440

41 Preacutesentation geacuteneacuterale

411 Coucirct annuel des pertes

Les pertes annuelles drsquoun transformateur peuvent ecirctre eacutevalueacutees selon la formule suivante

WPertes = (P0 + Pk times Ksup2 ) times 8760

Ougrave

WPertes montant des pertes annuelles en kWh

P0 pertes agrave vide en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

Pk pertes en charge en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

K facteur de charge pondeacutereacutee sur lrsquoanneacutee

8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)

Un exemple de calcul du facteur de charge pondeacutereacutee est donneacute ci-apregraves

Sur un jour (1440 minutes) le facteur de charge pondeacutereacutee est eacutegal agrave

Soit aussi

(032 x 150 + 0652 x 240 + 0852 x 330 + 052 x 90 + 0852 x 510 + 032 x 120) 1440

La charge pondeacutereacutee journaliegravere est alors de 0724

Charge pondeacutereacutee annuelle =

Pour eacutevaluer le coucirct des pertes durant la vie du transformateur il doit ecirctre actualiseacute en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le temps9

Ce calcul est appeleacute le laquo Coucirct Total Actualiseacute des pertes raquo Il est deacutefini par la formule suivante

Ougrave

C eacutevaluation du coucirct moyen par kWh par an

WPertes pertes annuelles

i taux drsquoactualisation

n dureacutee de vie espeacutereacutee du transformateur (en anneacutees)

K 2j x JsumJ = 365

J = 1365

CTApertes = C x WPertes x (1 + i)n - 1i x ( + i)n

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412 Coucirct global des transformateurs

Pour eacutevaluer eacuteconomiquement lrsquoachat drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie comme pour les pertes les coucircts drsquoachat drsquoexploitation et de maintenance doivent ecirctre compareacutes en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le tempsCertaines simplifications peuvent ecirctre retenues bien que chaque transformateur ait son propre coucirct drsquoachat et ses propres pertes les autres coucircts ceux drsquoinstallation de maintenance et drsquoeacutelimination en fin de vie sont sensiblement les mecircmes pour tous les types de transformateur de puissance identique et ils peuvent ne pas ecirctre pris en compte

Le calcul du coucirct global peut ecirctre calculeacute selon la formule suivante

CTO = PP + A times P0 + B times Pk

Lrsquoeacutevaluation des facteurs A et B est deacutelicate puisqursquoelle deacutepend de lrsquoeacutevolution du reacutegime de charge du transformateur du coucirct de lrsquoeacutenergie du taux drsquoactualisation et aussi de la dureacutee de vie eacuteconomique preacutevueIl faut aussi tenir compte de lrsquoeacutevolution de la charge et du prix de lrsquoeacutenergie durant la vie du transformateurTypiquement la fourchette de prix pour A se situe entre 6 et 10 euroW et pour B entre 1 et 4 euroWUne meacutethode relativement simple est proposeacutee ci-dessous permettant de deacuteterminer les facteurs A et B pour les transformateurs de distribution

A et B sont calculeacutes comme suit (pertes agrave vide actualiseacutees)

Ces formules reposent sur lrsquohypothegravese que le coucirct de lrsquoeacutenergie et le niveau de charge sont constants tout au long de la dureacutee de vie du transformateur

413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge

Les conditions de charge des transformateurs sont probablement le facteur le plus important agrave consideacuterer pour seacutelectionner de faccedilon optimale des transformateurs selon le niveau de pertesDe maniegravere geacuteneacuterale pour les transformateurs tregraves fortement chargeacutes lrsquoattention doit se porter sur les pertes dues agrave la charge et pour ceux agrave faible charge sur les pertes agrave videLes transformateurs dans le secteur industriel de lrsquoUE-27 ont une charge moyenne de 40 environ et un pic de charge de 70 10 En comparaison la charge moyenne des transformateurs chez les distributeurs drsquoeacutenergie eacutelectrique dans lrsquoUE-27 est drsquoenviron 20 et le pic de charge est de 55 environ

9 Le concept du laquo coucirct de lrsquoargent raquo signifie qursquoune somme drsquoargent disponible immeacutediatement a une valeur plus importante que la mecircme somme disponible plus tard10 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

14 15

(1 + i)n - 1i x (1 + i)nA = CkWh x 8760 x

(1 + i)n - 1i x ( 1 + i)nB = CkWh x 8760 x k2 x

Ougrave

i taux drsquoactualisation ( an)n dureacutee de vie (en anneacutee)C kWh prix du kWh (eurokWh) 8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)k facteur de charge pondeacutereacute sur lrsquoanneacutee

OugravePP coucirct drsquoachat du transformateurA coucirct des pertes agrave vide (exprimeacute en euroW)P0 total des pertes agrave vide garanties B coucirct des pertes dues agrave la charge (exprimeacute en euroW)Pk pertes dues agrave la charge garanties

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42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 6: Ademe Transfo WEB

12 Le parc et le marcheacute des transformateurs de distribution en France et en Europe1

Environ 47 millions de transformateurs sont en fonction-nement dans les 27 Pays membres de lrsquoUnion europeacuteenne (UEndash27)

bull 37 millions de transformateurs de distribution dont la puissance moyenne varie selon les pays de 116 agrave 369 kVA

bull 1 million de transformateurs de distribution utiliseacutes en industrie dont - 800 000 transformateurs immergeacutes leur puissance

moyenne eacutetant drsquoenviron 400 kVA- 200 000 transformateurs secs avec une puissance

moyenne drsquoenviron 800 kVA - En France les transformateurs industriels repreacutesentent

environ 250 000 uniteacutes

En Europe plus des 23 des transformateurs installeacutes ont une puissance moyenne infeacuterieure agrave 400 kVA (la plupart se situant autour de 250 kVA avec un faible pourcentage autour de 315 kVA) Les uniteacutes les plus reacutecentes sont plus puissantes

Le marcheacute annuel europeacuteen est drsquoenviron 140 000 trans-formateurs en nouvelles installations et en remplacement de ceux en fonctionnement soit environ 3 du parc existant

Parc en fonctionnement UE-27 Marcheacute UE-27

Nombre MVA Nombre MVA

Distribution (TD agrave huile)

lt 400 kVA 2 688 000 313 000 56 000 7 000

ge 400 kVA et le 630 kVA 861 000 441 000 23 000 12 000

gt 630 kVA 127 000 157 000 6 000 8 000

Total 3 676 000 911 000 85 000 27 000

Industriels (TD agrave huile)

lt 400 kVA 493 000 66 000 24 000 3 000

ge 400 kVA et le 630 181 000 90 000 8 000 4 000

gt 630 kVA 127 000 173 000 6 000 8 000

Total 802 000 330 000 38 000 15 000

Industriels (TD secs)

lt 400 kVA 39 000 13 000 3 000 1 000

ge 400 kVA et le 630 69 000 41 000 5 000 3 000

gt 630 kVA 66 000 90 000 8 000 11 000

Total 174 000 144 000 16 000 14 000

Total 4 652 000 1 385 000 139 000 56 000

le marcheacute de la distribution des TD secs est relativement moins important que celui des transformateurs immergeacutesSur le tableau 1 il apparaicirct clairement que les uniteacutes de faible puissance sont majoritairement preacutesentes dans le secteur de la distribution Parallegravelement les transformateurs de forte puissance sont preacutedominants dans le secteur industriel notamment pour les transformateurs secs

Tableau 1 Parc et marcheacute des transformateurs de distribution et industriel dans lrsquoUE en 20041

1 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution2 Etude Ceren 2010 mandateacutee par EDF RTE et lrsquoADEME

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

4 5

Schn

eide

r Ele

ctric

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2 Les transformateurs de distribution deacutefinition types et principales caracteacuteristiques

21 Deacutefinition

Les transformateurs de distribution sont utiliseacutes dans les reacuteseaux eacutelectriques pour modifier et adapter les valeurs de tensions et courants

Scheacutematiquement un transformateur se compose de deux enroulements (ou bobines) entourant un circuit magneacutetique (appeleacute encore noyau constitueacute de tocircles magneacutetiques) Chaque bobine est constitueacutee de spires mateacuteriau conducteur comme le cuivre ou lrsquoaluminium isoleacutees les unes des autres Elles sont relieacutees agrave deux reacuteseaux eacutelectriques de tension diffeacuterenteUne tension alternative drsquoalimentation aux bornes de lrsquoune des bobines geacutenegravere un flux magneacutetique variable (et donc une induction magneacutetique dans le circuit magneacutetique) creacuteant une tension induite dans lrsquoautre bobine Le rapport de tension entre les deux bobines est proportionnel aux nombres de spires

Pour les transformateurs

immergeacutes et les transformateurs de type

secs des normes speacutecifiques indiquent les niveaux de

pertes en fonction de la puissance

21 Deacutefinition 6

22 Types 7

23 Principales caracteacuteristiques 7

Figure 1 Scheacutema de principe drsquoun transformateur abaisseur

DEUX CIRCUITS ELECTRIQUES

UN CIRCUIT MAGNETIQUE

U1

I1

U2

I2

Circuit dalimentation(haute tension) Circuit

drsquoutilisation(basse tension)

N1 N

2

Enroulementprimaire

Enroulementsecondaire

SIEM

ENS

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Un transformateur fonctionne en geacuteneacuteral agrave une charge t infeacuterieure agrave 100 soit une puissance effective deacutefinie par

Peff (en kW) = k x Sn (en kVA) x cos ϕ

k repreacutesente le facteur de charge t sous la tension en charge

23 Principales caracteacuteristiques

Les transformateurs se caracteacuterisent par

bull la reacutefeacuterence normative (NF EN 50464-1 par exemple)bull la freacutequence assigneacuteebull le type (immergeacute sec) et la nature du dieacutelectrique en

cas de transformateur immergeacute (huile mineacuterale ester naturel ou de synthegravese ou autre)

bull leur puissance assigneacutee exprimeacutee en kVA (Sn)bull les tensions assigneacutees primaire et secondaire (Ur) (parfois appeleacutees aussi nominales) exprimeacutees en V bull le couplage et lrsquoindice horairebull les niveaux de pertes dues agrave la charge (Pk en W)bull le niveau de pertes agrave vide (P0 en W)

bull le type de refroidissement - pour les transformateurs de type secs AN (air naturel)

AF (air forceacute) - pour les transformateurs immergeacutes ONAN (huile

naturel air naturel)bull lrsquoanneacutee de constructionbull les reacuteparations eacuteventuelles effectueacutees (rebobinage

huile dieacutelectriquehellip)bull les eacutequipements de protection (relais de protection

capots de protectionhellip)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

6 7

22 Types

Pour les transformateurs immergeacutes et les transformateurs de type secs les normes indiquent les niveaux des pertes en fonction de la puissance

La norme NF EN 50464-1 relative aux transformateurs immergeacutes drsquoune puissance comprise entre 50 et 2500 kVA distingue quatre niveaux de pertes dues agrave la charge (Ak - Bk - Ck et Dk) et cinq niveaux de pertes agrave vide (A0 - B0 - C0 - D0 et E0) Les pertes Ak (respectivement A0) sont plus faibles que les pertes Dk (respectivement E0) Pour une mecircme utilisation un transformateur A0-Ak est plus efficace qursquoun transformateur E0-Dk qui preacutesente les plus grandes pertes

La norme NF EN 50541-1 relative aux transformateurs de types secs drsquoune puissance comprise entre 100 et 3150 kVA distingue deux niveaux de pertes dues agrave la charge (Ak Bk) et trois niveaux de pertes agrave vide (A0 B0 C0)

Les pertes Ak (respectivement A0) sont plus faibles que les pertes Bk (respectivement C0) Pour une mecircme utilisation un transformateur A0-Ak est plus efficace qursquoun transformateur C0-Bk qui preacutesente les plus grandes pertes

Les transformateurs de types secs ont des pertes supeacute-rieures agrave celles des transformateurs immergeacutes

Lrsquoannexe 1 Norme sur les pertes et le bruit en fin du guide preacutesente en deacutetail les niveaux des pertes

Schn

eide

r Ele

ctric

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3 Les transformateurs de distribution et lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique

31 Deacutefinition des pertes et du rendement

Les pertes des transformateurs comprennent principalement deux types de pertes bull les pertes agrave vide (P0) appeleacutees aussi pertes ferbull les pertes dues agrave la charge (Pk) auxquelles srsquoajoutent les pertes suppleacute-

mentaires geacuteneacutereacutees par les harmoniques de courant

311 Pertes agrave vide (P0)Ces pertes se produisent degraves que le transformateur est sous-tension elles sont lieacutees agrave la tension du reacuteseau drsquoalimentation qui creacutee un flux dans le circuit magneacutetique du transformateur

Ces pertes deacutependent de la freacutequence et de la tension appliqueacutee

En pratique la freacutequence fondamentale des reacuteseaux eacutelectriques est tregraves stable et si lrsquoon considegravere que les harmoniques de tension cocircteacute primaire ont peu drsquoimpact les pertes agrave vide sont constantes et indeacutependantes de la charge du transformateur

Elles se composent

1 Des pertes par hysteacutereacutesisElles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique Ces pertes deacutependent du type de mateacuteriau utiliseacute pour la construc-tion du circuit magneacutetique du transformateur et sont proportionnelles agrave la freacutequence Les pertes par hysteacutereacutesis peuvent aujourdrsquohui ecirctre reacuteduites par le choix de tocircles agrave grains orienteacutes lamineacutees agrave froid et ameacutelioreacutees par un traitement laser Les pertes par hysteacutereacutesis sont responsables de plus de la moitieacute des pertes agrave vide (entre 50 et 60 ) 2 Des pertes par courant de Foucault3

Elles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique produisant des courants de Foucault Elles deacutependent de lrsquoeacutepaisseur de la reacutesistiviteacute du mateacuteriau et du carreacute de la freacutequenceLes pertes par courant de Foucault repreacutesentent 40 agrave 50 des pertes agrave vide

Les pertes agrave vide repreacutesentent en moyenne de 01 agrave 02 de la puissance assigneacutee Sn

Les pertes des transformateurs

comprennent principalement deux

types de pertes pertes agrave vide et pertes

dues agrave la charge

31 Deacutefinition des pertes et du rendement 8

311 Pertes agrave vide (P0) 8

312 Pertes dues agrave la charge (Pk) 9

313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux harmoniques et agrave la puissance reacuteactive 10

314 Reacutepartition des pertes 11

315 Rendement 11

32 Normes et reacuteglementations applicables 12

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie 13

Gim

eacutelec

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312 Pertes dues agrave la charge (Pk)Elles sont composeacutees des

1 Pertes Joule dans les conducteurs des enroulements primaires et secondaires (PDC )4

2 Pertes parasites par courants de Foucault dans les enroulements (PWE )5

3 Pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions (PCE )6 pertes parasites dans les parties structurelles

meacutetalliques (PSE)7

Toutes les pertes sont variables car elles sont proportionnelles au carreacute du courant traversant les enroulements

Ces pertes sont lieacutees au fondamental du courant ainsi qursquoaux courants harmoniques dont il faut connaicirctre le spectre et lrsquoamplitude des composantes car ces courants harmoniques vont accroicirctre les pertes dues agrave la charge

Les pertes JouleCes pertes apparaissent dans les enroulements du transformateur et sont causeacutees par la reacutesistance du conducteur Leur amplitude varie en fonction du carreacute du courant de charge et est proportionnelle agrave la reacutesistance du bobinage Elles peuvent ecirctre reacuteduites en augmentant la section du conducteur

Les pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements Le courant alternatif lieacute au fonctionnement du transformateur et parcourant le conducteur constituant les enroulements engendre un champ magneacutetique Ce champ va ecirctre agrave lrsquoorigine de courants induits appeleacutes courants de Foucault se superposant au courant de fonctionnement et provoquant des pertes ohmiques suppleacutementaires eacutegalement appeleacutes pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements (P

WE)

Les pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions et dans les parties structurelles meacutetalliquesUn conducteur parcouru par un courant alternatif va creacuteer un champ drsquoinduction variable geacuteneacuterant un courant induit dans les parties meacutetalliques constituant la structure du transformateur et produire des pertes suppleacutementaires ces pertes sont appeleacutees pertes parasites par courant de Foucault dans les parties structurelles meacutetalliques (PSE) et dans les connexions agrave fort courant (PCE)

Les pertes dues agrave la charge repreacutesentent en moyenne de 07 agrave 1 de la puissance nominale assigneacutee (agrave 100 de la charge)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

8 9

3 Pheacutenomegravene deacutecouvert par le physicien franccedilais Leacuteon Foucault en 18514 P

DC Direct Current Loss

5 PWE

Winding Eddy Loss6 P

CE Connection Eddy loss

7 PSE Structural Stray Loss

ALS

MTO

M

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10010806

Rendement η ()

Cos ϕ

Facteur de charge ()

50

0

Figure 2 Scheacutema eacutequivalent des puissances

P

ϕ2

ϕ1

S2

Q2

Q1

S1

Q

Puissance utile neacutecessaire

Puissance apparente nominaledu transformateur

Consommation excessive de puissance reacuteactive Puissance du transformateur insuffisante

Figure 3 Allure du rendement pour diffeacuterents facteurs de charge et diffeacuterents cos ϕ 313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux

harmoniques et agrave la puissance reacuteactive

Ces pertes ont pour origine la puissance reacuteactive et les courants harmoniques

bull Sur la puissance reacuteactive

Comme le montre la figure ci-dessus on distingue trois puissances

bull la puissance apparente S (exprimeacutee en VA) celle appeleacutee par le transformateur sur le reacuteseau

Sa valeur est S = U x I x radic 3

bull la puissance active P (exprimeacutee en W) celle qui produit un travail utile consommeacute par lrsquoinstallation Pour caracteacuteriser la quantiteacute de puissance active dis-ponible on utilise la notion de facteur de puissance qui est eacutegal agrave PS et agrave cos ϕ La valeur de la puissance active est

P = U x I x radic 3 x cos ϕ

bull la puissance reacuteactive Q (exprimeacutee en VAR) qui est neacutecessaire pour magneacutetiser les circuits des charges tels les moteurs

Sa valeur est Q = U x I x radic 3 x sin ϕ

La puissance apparente est deacutefinie par la relation

S = radicP2 + Q2

La figure 2 preacutesente le scheacutema eacutequivalent des puis-sances et une consommation excessive de puissance reacuteactive due agrave un mauvais cos ϕ de lrsquoinstallation Pour une puissance active donneacutee plus la puissance reacuteactive sera importante et plus le transformateur sera chargeacute et srsquoeacutechauffera (entraicircnant une diminution de sa dureacutee de vie) Car crsquoest la valeur de la puissance apparente qui fixe la limite de puissance du transformateur

Drsquoautre part le rendement du transformateur varie avec le cos ϕ (voir figure 3)

Il est donc important de diminuer la puissance reacuteactive consommeacutee

bull Les courants harmoniquesLes courants harmoniques sont des courants dont la freacutequence est un multiple de la freacutequence principale provoqueacutes par les charges non lineacuteaires du reacuteseau (comme les ordinateurs certains variateurs de vitessehellip) Ils ont des reacutepercussions potentiellement dommageables pour les transformateurs non seulement ils augmentent les pertes en charge de faccedilon plus que proportionnelle agrave lrsquoaugmentation de la charge mais aussi la tempeacuterature des enroulements et de la structure meacutetallique du transformateur reacuteduisant ainsi la dureacutee de vie du transformateur

Les pertes geacuteneacutereacutees par les courants de Foucault deacutependent du carreacute de la freacutequence aussi la preacutesence drsquoharmoniques multiples de la freacutequence fondamentale de 50 Hz provoque des pertes suppleacutementaires dans les enroulements et les parties structurelles meacutetalliques

bull Le facteur K

Les courants harmoniques augmentent la valeur du courant efficace non seulement cela constitue deacutejagrave un facteur drsquoaccroissement des pertes mais en plus la freacutequence des composantes harmoniques accentue cet accroissement

Il y a deux approches pour eacutevaluer lrsquoeffet des courants harmoniques sur les pertes

bull Le facteur Kbull Le calcul des pertes qui neacutecessite la connaissance

preacutecise des caracteacuteristiques du transformateur utiliseacute

Le facteur K ou facteur de deacuteclassement est le plus souvent utiliseacute car il est simple agrave calculer et agrave exploiterIl permet drsquoestimer le taux du deacuteclassement du trans-formateur en calculant lrsquoinfluence des courants har-moniques sur la charge du transformateur On estime ainsi de combien un transformateur standard est deacute-classeacute pour que les pertes totales dues agrave une charge non lineacuteaire ne deacutepassent pas les pertes preacutevues pour la freacutequence fondamentale lors de la conception du transformateur

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LrsquoAnnexe 2 - Facteur K preacutesente plus en deacutetail le calcul du facteur K

bull Les solutions pour reacuteduire les pertes in-situ

Il nrsquoy a pas de moyens externes permettant de modifier les pertes agrave vide car elles ne sont pas influenceacutees par les charges Par contre deux moyens externes permettent de reacuteduire les pertes suppleacutementaires dues agrave la charge

1 Compensation reacuteactive (batterie de condensateurs)Cette compensation permet drsquooptimiser lrsquoutilisation de la puissance du transformateur et de reacuteduire les pertes agrave 50 Hz2 Filtrage des courants harmoniquesLes pertes srsquoaccroissent avec les courants harmoniques Il existe plusieurs solutions de reacuteduction des courants harmoniques dans les reacuteseaux pollueacutes connaissance et reacuteduction du taux drsquoharmoniques agrave la source utilisation drsquoinductances anti-harmoniques en seacuterie avec les condensateurs de compensation du reacuteactif insertion de filtre passif etou actifs etc

314 Reacutepartition des pertes

On peut reacutesumer la situation des pertes sous la forme du graphique ci-contre

Transfo agrave vide

Transfo en chargeagrave Inominal

(P0 = 10 agrave15 de PDC)

Transfo en chargeagrave 70 sansharmoniques

PWE + PCE + PSE ~ 60 agrave 70 de PDC

PWE + PCE + PSE ~ 10 de PDC

PDC

Augmentation de5 agrave 8 de PDC

Transfo en charge

agrave 70 avecharmoniquesde courants

PDC PDCPDC

P0 P0P0P0

Figure 4 Reacutepartition des pertes

AvecPCC pertes dues agrave la charge au courant assigneacute et agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

P0 pertes agrave vide agrave la tension et agrave la freacutequence assigneacutees

S puissance assigneacutee

α facteur de charge

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

10 11

8 Lrsquoextrait de la norme NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo est reproduit avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets de la norme telle que diffuseacutee par AFNOR Editions ndash accessible via le site internet wwwboutiqueafnororg ndash ont valeur normative

315 Rendement

La norme NF EN 50464-18 indique que le rendement drsquoun transformateur de puissance est donneacute pour toute condition de charge par le rapport entre la puissance de sortie (P2) et la puissance drsquoentreacutee (P1)

η = P2P1

En raison de la difficulteacute agrave deacuteterminer le rendement par des mesures directes il peut ecirctre eacutevalueacute conventionnellement par les pertes garanties ou mesureacutees comme suit

α2 PCC + P0

α S + α2 PCC + P0

η = 100 1- ()( )

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Il est souhaitable que le transformateur soit exploiteacute agrave une charge raisonnable comprise entre 40 et 60 de sa charge nominale mais cela deacutepend aussi drsquoautres paramegravetres (cos ϕ tempeacuterature ambiante cycle de chargehellip)

Si la charge est supeacuterieure agrave 75 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une augmentation de sa puissance

A lrsquoinverse si la charge est infeacuterieure agrave 40 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une reacuteduction de sa puissance

Pertes (W) Rendement ()

Facteur de charge ()0 10 20 30

η

Ptot

Pcc

P0

40 50 60 70 80 90 100

η rendement Ptot pertes totalesPcc pertes en charge P0 pertes agrave vide

Figure 5 Allure de rendement en fonctionde la charge

La courbe typique du rendement drsquoun transforma-teur en fonction de sa charge est la suivante

Elle montre les pertes agrave vide les pertes dues agrave la charge le rendement en fonction de la charge du transformateur

Sur lrsquoexemple de la figure 5 le rendement est maximum pour un facteur de charge de 40

Quelque soit la puissance du transformateur il existe toujours un maximum entre le rendement et le facteur de charge en geacuteneacuteral aux alentours de 40-50 de la charge nominale

Puissance 1000 kVA

Pertes selon NF EN 50464-1

Niveau de pertes D0 Dk C0 Ck B0 Bk A0 Ak

Pertes agrave vide (W) 1400 1100 940 770

Pertes dues agrave la charge (W) 13000 10500 9000 7600

Charge 85 9861 9888 9904 9919

65 9884 9906 9920 9932

50 9898 9918 9930 9941

30 9906 9925 9936 9946

Exemple du rendement selon le niveau de pertes et la valeur de la charge

32 Normes et reacuteglementations applicablesActuellement il nrsquoexiste pas en Europe de reacuteglementation speacutecifique sur lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs de distri-bution De fait lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs est encore peu traiteacutee dans les leacutegislations europeacuteennes et franccedilaises

Drsquoun point de vue normatif diffeacuterents documents sont en vigueur et des certifications existent pour garantir la qualiteacute des transformateurs (ceux concernant en prioriteacute le domaine eacutenergeacutetique sont surligneacutes)

bull NF EN 50464-1 pour les transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-7 guide de charge pour les transformateurs immergeacutes

bull NF EN 50541-1 pour les transformateurs de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-12 guide de charge pour transformateurs de type sec

bull NF EN 60076-1 agrave 60076-5 transformateurs de puissance

bull NF EN 60076-11 transformateurs de puissance de type sec

La directive Eco-Design (dite directive ErP) (2009125EC adopteacutee en 2009) est conccedilue pour ameacuteliorer les performances environnementales et eacutenergeacutetiques sur le cycle de vie des eacutequipements lieacutees agrave lrsquoeacutenergie aussi elle permet drsquointroduire des exigences de performance eacutenergeacutetique

Dans ce cadre une application aux transformateurs de distribution est en cours de preacuteparation Lrsquoeacutetude preacuteparatoire est en consultation sur le site wwwecotransformerorg

Concernant la reacuteglementation sur les PCB se reacutefeacuterer au site du ministegravere wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

12 13

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergieLe dispositif des CEE (Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie) repose sur une obligation drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie imposeacutee aux fournisseurs drsquoeacutenergie (eacutelectriciteacute gaz fioul carburants hellip) Ces entreprises laquo obligeacutees raquo doivent soutenir ou accompagner des investissements ou actions drsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie chez les consommateurs sous peine de peacutenaliteacuteLes fournisseurs drsquoeacutenergie sont en capaciteacute de soutenir ou drsquoaider lrsquoachat drsquoeacutequipements figurant entre autres dans la liste des opeacuterations standardiseacutees par des maicirctres drsquoouvrage (entreprises industrielles ou tertiaire collectiviteacutes) Concregravetement cette aide se neacutegocie en amont de lrsquoinvestissement directement aupregraves des fournisseurs drsquoeacutenergie ou parfois aupregraves des fabricants drsquoeacutequipements

Trois actions standardiseacutees concernent les transformateurs

bull La fiche IN-UT-10 (industrie) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel pour les transformateurs de distribution industriels Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche RES-EL-01 (secteur reacuteseaux) - transformateur agrave haut rendement pour la distribution publique drsquoeacutelectriciteacute Elle concerne la laquo mise en place drsquoun transformateur de distribution publique agrave haut rendement (faibles pertes) triphaseacute immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 50 et 1 000 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie B0 ou A0 pour les pertes agrave vide Ck Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche BAT-EQ-21 (secteur des bacirctiments tertiaires) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes en charge

A noter que drsquoautres fiches sur

les transformateurs sont susceptibles drsquoecirctre ajouteacutees mais il nrsquoexiste pas encore

de fiches speacutecifiques aux transformateurs

de type secs

Estimation des kWh cumac

kWh cumac Pertes agrave vide Pertes en charge Coefficient de pertes en charge Total

2 transformateurs de 1 600 kVA 2 times 123 800 2 times 990 500 06 1 436 2002 transformateurs de 2 000 kVA 2 times 154 800 2 times 1 361 900 06 1 943 8801 transformateur de 2 500 kVA 1 times 179 500 1 times 1 671 500 06 1 182 400Total 736 700 6 376 300 06 4 562 480Pour en savoir plus Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

Extrait de la fiche IND-UT-10 pour calculer les kWh cumac

Pertes agrave vide Pertes en charge Mode de fonctionnement du site

Coefficient de pertes en charge

kVA C0 B0 A0 + Bk Ak x 1 x 8 02250 27 900 35 900 43 300 61 900 111 400 2 x 8 04315 31 000 40 900 50 800 80 500 136 200 3 x 8 avec arrecirct le WE 05400 39 600 50 800 61 900 92 900 167 100 3 x 8 sans arrecirct le WE 06500 47 000 60 700 73 000 111 400 198 100630 54 500 70 600 86 700 136 200 235 200800 27 200 43 300 61 900 433 300 557 200

1 000 37 100 57 000 78 000 495 300 668 6001250 49 500 74 300 99 100 619 100 804 8001 600 61 900 92 900 123 800 742 900 990 5002 000 74 300 111 400 154 800 990 500 1 361 9002 500 86 700 130 000 179 500 1 238 100 1 671 500

Exemple Une entreprise industrielle peut valoriser le remplacement de ses vieux transformateurs eacutenergivores par des transformateurs agrave pertes reacuteduitesLrsquoindustriel exploite 5 transformateurs deux de 1 600 kVA deux de 2 000 kVA et un de 2 500 kVA en 3x8 y compris le week-end Dans le cas de leur remplacement par des transformateurs de type A0Ak et selon la fiche IND-UT-10 cela correspond agrave 45 GWh cumac

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4 Le coucirct des pertes

41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14

411 Coucirct annuel des pertes 14

412 Coucirct global des transformateurs 15

413 La charge des transformateurs

profil de charge et pic de charge 15

42 Exemple 16

Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie

Exemple de charge pondeacutereacutee sur une journeacutee sur un site industriel

150

03

1

065

085

05

085

03

390 720 810 1320 1440Minutes

Fact

eur

de c

harg

e

Facteur de charge pondeacutereacutee 0724

K 2H x tsumt = 1440

t = 01440

41 Preacutesentation geacuteneacuterale

411 Coucirct annuel des pertes

Les pertes annuelles drsquoun transformateur peuvent ecirctre eacutevalueacutees selon la formule suivante

WPertes = (P0 + Pk times Ksup2 ) times 8760

Ougrave

WPertes montant des pertes annuelles en kWh

P0 pertes agrave vide en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

Pk pertes en charge en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

K facteur de charge pondeacutereacutee sur lrsquoanneacutee

8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)

Un exemple de calcul du facteur de charge pondeacutereacutee est donneacute ci-apregraves

Sur un jour (1440 minutes) le facteur de charge pondeacutereacutee est eacutegal agrave

Soit aussi

(032 x 150 + 0652 x 240 + 0852 x 330 + 052 x 90 + 0852 x 510 + 032 x 120) 1440

La charge pondeacutereacutee journaliegravere est alors de 0724

Charge pondeacutereacutee annuelle =

Pour eacutevaluer le coucirct des pertes durant la vie du transformateur il doit ecirctre actualiseacute en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le temps9

Ce calcul est appeleacute le laquo Coucirct Total Actualiseacute des pertes raquo Il est deacutefini par la formule suivante

Ougrave

C eacutevaluation du coucirct moyen par kWh par an

WPertes pertes annuelles

i taux drsquoactualisation

n dureacutee de vie espeacutereacutee du transformateur (en anneacutees)

K 2j x JsumJ = 365

J = 1365

CTApertes = C x WPertes x (1 + i)n - 1i x ( + i)n

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412 Coucirct global des transformateurs

Pour eacutevaluer eacuteconomiquement lrsquoachat drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie comme pour les pertes les coucircts drsquoachat drsquoexploitation et de maintenance doivent ecirctre compareacutes en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le tempsCertaines simplifications peuvent ecirctre retenues bien que chaque transformateur ait son propre coucirct drsquoachat et ses propres pertes les autres coucircts ceux drsquoinstallation de maintenance et drsquoeacutelimination en fin de vie sont sensiblement les mecircmes pour tous les types de transformateur de puissance identique et ils peuvent ne pas ecirctre pris en compte

Le calcul du coucirct global peut ecirctre calculeacute selon la formule suivante

CTO = PP + A times P0 + B times Pk

Lrsquoeacutevaluation des facteurs A et B est deacutelicate puisqursquoelle deacutepend de lrsquoeacutevolution du reacutegime de charge du transformateur du coucirct de lrsquoeacutenergie du taux drsquoactualisation et aussi de la dureacutee de vie eacuteconomique preacutevueIl faut aussi tenir compte de lrsquoeacutevolution de la charge et du prix de lrsquoeacutenergie durant la vie du transformateurTypiquement la fourchette de prix pour A se situe entre 6 et 10 euroW et pour B entre 1 et 4 euroWUne meacutethode relativement simple est proposeacutee ci-dessous permettant de deacuteterminer les facteurs A et B pour les transformateurs de distribution

A et B sont calculeacutes comme suit (pertes agrave vide actualiseacutees)

Ces formules reposent sur lrsquohypothegravese que le coucirct de lrsquoeacutenergie et le niveau de charge sont constants tout au long de la dureacutee de vie du transformateur

413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge

Les conditions de charge des transformateurs sont probablement le facteur le plus important agrave consideacuterer pour seacutelectionner de faccedilon optimale des transformateurs selon le niveau de pertesDe maniegravere geacuteneacuterale pour les transformateurs tregraves fortement chargeacutes lrsquoattention doit se porter sur les pertes dues agrave la charge et pour ceux agrave faible charge sur les pertes agrave videLes transformateurs dans le secteur industriel de lrsquoUE-27 ont une charge moyenne de 40 environ et un pic de charge de 70 10 En comparaison la charge moyenne des transformateurs chez les distributeurs drsquoeacutenergie eacutelectrique dans lrsquoUE-27 est drsquoenviron 20 et le pic de charge est de 55 environ

9 Le concept du laquo coucirct de lrsquoargent raquo signifie qursquoune somme drsquoargent disponible immeacutediatement a une valeur plus importante que la mecircme somme disponible plus tard10 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

14 15

(1 + i)n - 1i x (1 + i)nA = CkWh x 8760 x

(1 + i)n - 1i x ( 1 + i)nB = CkWh x 8760 x k2 x

Ougrave

i taux drsquoactualisation ( an)n dureacutee de vie (en anneacutee)C kWh prix du kWh (eurokWh) 8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)k facteur de charge pondeacutereacute sur lrsquoanneacutee

OugravePP coucirct drsquoachat du transformateurA coucirct des pertes agrave vide (exprimeacute en euroW)P0 total des pertes agrave vide garanties B coucirct des pertes dues agrave la charge (exprimeacute en euroW)Pk pertes dues agrave la charge garanties

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42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 7: Ademe Transfo WEB

2 Les transformateurs de distribution deacutefinition types et principales caracteacuteristiques

21 Deacutefinition

Les transformateurs de distribution sont utiliseacutes dans les reacuteseaux eacutelectriques pour modifier et adapter les valeurs de tensions et courants

Scheacutematiquement un transformateur se compose de deux enroulements (ou bobines) entourant un circuit magneacutetique (appeleacute encore noyau constitueacute de tocircles magneacutetiques) Chaque bobine est constitueacutee de spires mateacuteriau conducteur comme le cuivre ou lrsquoaluminium isoleacutees les unes des autres Elles sont relieacutees agrave deux reacuteseaux eacutelectriques de tension diffeacuterenteUne tension alternative drsquoalimentation aux bornes de lrsquoune des bobines geacutenegravere un flux magneacutetique variable (et donc une induction magneacutetique dans le circuit magneacutetique) creacuteant une tension induite dans lrsquoautre bobine Le rapport de tension entre les deux bobines est proportionnel aux nombres de spires

Pour les transformateurs

immergeacutes et les transformateurs de type

secs des normes speacutecifiques indiquent les niveaux de

pertes en fonction de la puissance

21 Deacutefinition 6

22 Types 7

23 Principales caracteacuteristiques 7

Figure 1 Scheacutema de principe drsquoun transformateur abaisseur

DEUX CIRCUITS ELECTRIQUES

UN CIRCUIT MAGNETIQUE

U1

I1

U2

I2

Circuit dalimentation(haute tension) Circuit

drsquoutilisation(basse tension)

N1 N

2

Enroulementprimaire

Enroulementsecondaire

SIEM

ENS

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Un transformateur fonctionne en geacuteneacuteral agrave une charge t infeacuterieure agrave 100 soit une puissance effective deacutefinie par

Peff (en kW) = k x Sn (en kVA) x cos ϕ

k repreacutesente le facteur de charge t sous la tension en charge

23 Principales caracteacuteristiques

Les transformateurs se caracteacuterisent par

bull la reacutefeacuterence normative (NF EN 50464-1 par exemple)bull la freacutequence assigneacuteebull le type (immergeacute sec) et la nature du dieacutelectrique en

cas de transformateur immergeacute (huile mineacuterale ester naturel ou de synthegravese ou autre)

bull leur puissance assigneacutee exprimeacutee en kVA (Sn)bull les tensions assigneacutees primaire et secondaire (Ur) (parfois appeleacutees aussi nominales) exprimeacutees en V bull le couplage et lrsquoindice horairebull les niveaux de pertes dues agrave la charge (Pk en W)bull le niveau de pertes agrave vide (P0 en W)

bull le type de refroidissement - pour les transformateurs de type secs AN (air naturel)

AF (air forceacute) - pour les transformateurs immergeacutes ONAN (huile

naturel air naturel)bull lrsquoanneacutee de constructionbull les reacuteparations eacuteventuelles effectueacutees (rebobinage

huile dieacutelectriquehellip)bull les eacutequipements de protection (relais de protection

capots de protectionhellip)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

6 7

22 Types

Pour les transformateurs immergeacutes et les transformateurs de type secs les normes indiquent les niveaux des pertes en fonction de la puissance

La norme NF EN 50464-1 relative aux transformateurs immergeacutes drsquoune puissance comprise entre 50 et 2500 kVA distingue quatre niveaux de pertes dues agrave la charge (Ak - Bk - Ck et Dk) et cinq niveaux de pertes agrave vide (A0 - B0 - C0 - D0 et E0) Les pertes Ak (respectivement A0) sont plus faibles que les pertes Dk (respectivement E0) Pour une mecircme utilisation un transformateur A0-Ak est plus efficace qursquoun transformateur E0-Dk qui preacutesente les plus grandes pertes

La norme NF EN 50541-1 relative aux transformateurs de types secs drsquoune puissance comprise entre 100 et 3150 kVA distingue deux niveaux de pertes dues agrave la charge (Ak Bk) et trois niveaux de pertes agrave vide (A0 B0 C0)

Les pertes Ak (respectivement A0) sont plus faibles que les pertes Bk (respectivement C0) Pour une mecircme utilisation un transformateur A0-Ak est plus efficace qursquoun transformateur C0-Bk qui preacutesente les plus grandes pertes

Les transformateurs de types secs ont des pertes supeacute-rieures agrave celles des transformateurs immergeacutes

Lrsquoannexe 1 Norme sur les pertes et le bruit en fin du guide preacutesente en deacutetail les niveaux des pertes

Schn

eide

r Ele

ctric

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3 Les transformateurs de distribution et lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique

31 Deacutefinition des pertes et du rendement

Les pertes des transformateurs comprennent principalement deux types de pertes bull les pertes agrave vide (P0) appeleacutees aussi pertes ferbull les pertes dues agrave la charge (Pk) auxquelles srsquoajoutent les pertes suppleacute-

mentaires geacuteneacutereacutees par les harmoniques de courant

311 Pertes agrave vide (P0)Ces pertes se produisent degraves que le transformateur est sous-tension elles sont lieacutees agrave la tension du reacuteseau drsquoalimentation qui creacutee un flux dans le circuit magneacutetique du transformateur

Ces pertes deacutependent de la freacutequence et de la tension appliqueacutee

En pratique la freacutequence fondamentale des reacuteseaux eacutelectriques est tregraves stable et si lrsquoon considegravere que les harmoniques de tension cocircteacute primaire ont peu drsquoimpact les pertes agrave vide sont constantes et indeacutependantes de la charge du transformateur

Elles se composent

1 Des pertes par hysteacutereacutesisElles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique Ces pertes deacutependent du type de mateacuteriau utiliseacute pour la construc-tion du circuit magneacutetique du transformateur et sont proportionnelles agrave la freacutequence Les pertes par hysteacutereacutesis peuvent aujourdrsquohui ecirctre reacuteduites par le choix de tocircles agrave grains orienteacutes lamineacutees agrave froid et ameacutelioreacutees par un traitement laser Les pertes par hysteacutereacutesis sont responsables de plus de la moitieacute des pertes agrave vide (entre 50 et 60 ) 2 Des pertes par courant de Foucault3

Elles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique produisant des courants de Foucault Elles deacutependent de lrsquoeacutepaisseur de la reacutesistiviteacute du mateacuteriau et du carreacute de la freacutequenceLes pertes par courant de Foucault repreacutesentent 40 agrave 50 des pertes agrave vide

Les pertes agrave vide repreacutesentent en moyenne de 01 agrave 02 de la puissance assigneacutee Sn

Les pertes des transformateurs

comprennent principalement deux

types de pertes pertes agrave vide et pertes

dues agrave la charge

31 Deacutefinition des pertes et du rendement 8

311 Pertes agrave vide (P0) 8

312 Pertes dues agrave la charge (Pk) 9

313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux harmoniques et agrave la puissance reacuteactive 10

314 Reacutepartition des pertes 11

315 Rendement 11

32 Normes et reacuteglementations applicables 12

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie 13

Gim

eacutelec

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312 Pertes dues agrave la charge (Pk)Elles sont composeacutees des

1 Pertes Joule dans les conducteurs des enroulements primaires et secondaires (PDC )4

2 Pertes parasites par courants de Foucault dans les enroulements (PWE )5

3 Pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions (PCE )6 pertes parasites dans les parties structurelles

meacutetalliques (PSE)7

Toutes les pertes sont variables car elles sont proportionnelles au carreacute du courant traversant les enroulements

Ces pertes sont lieacutees au fondamental du courant ainsi qursquoaux courants harmoniques dont il faut connaicirctre le spectre et lrsquoamplitude des composantes car ces courants harmoniques vont accroicirctre les pertes dues agrave la charge

Les pertes JouleCes pertes apparaissent dans les enroulements du transformateur et sont causeacutees par la reacutesistance du conducteur Leur amplitude varie en fonction du carreacute du courant de charge et est proportionnelle agrave la reacutesistance du bobinage Elles peuvent ecirctre reacuteduites en augmentant la section du conducteur

Les pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements Le courant alternatif lieacute au fonctionnement du transformateur et parcourant le conducteur constituant les enroulements engendre un champ magneacutetique Ce champ va ecirctre agrave lrsquoorigine de courants induits appeleacutes courants de Foucault se superposant au courant de fonctionnement et provoquant des pertes ohmiques suppleacutementaires eacutegalement appeleacutes pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements (P

WE)

Les pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions et dans les parties structurelles meacutetalliquesUn conducteur parcouru par un courant alternatif va creacuteer un champ drsquoinduction variable geacuteneacuterant un courant induit dans les parties meacutetalliques constituant la structure du transformateur et produire des pertes suppleacutementaires ces pertes sont appeleacutees pertes parasites par courant de Foucault dans les parties structurelles meacutetalliques (PSE) et dans les connexions agrave fort courant (PCE)

Les pertes dues agrave la charge repreacutesentent en moyenne de 07 agrave 1 de la puissance nominale assigneacutee (agrave 100 de la charge)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

8 9

3 Pheacutenomegravene deacutecouvert par le physicien franccedilais Leacuteon Foucault en 18514 P

DC Direct Current Loss

5 PWE

Winding Eddy Loss6 P

CE Connection Eddy loss

7 PSE Structural Stray Loss

ALS

MTO

M

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10010806

Rendement η ()

Cos ϕ

Facteur de charge ()

50

0

Figure 2 Scheacutema eacutequivalent des puissances

P

ϕ2

ϕ1

S2

Q2

Q1

S1

Q

Puissance utile neacutecessaire

Puissance apparente nominaledu transformateur

Consommation excessive de puissance reacuteactive Puissance du transformateur insuffisante

Figure 3 Allure du rendement pour diffeacuterents facteurs de charge et diffeacuterents cos ϕ 313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux

harmoniques et agrave la puissance reacuteactive

Ces pertes ont pour origine la puissance reacuteactive et les courants harmoniques

bull Sur la puissance reacuteactive

Comme le montre la figure ci-dessus on distingue trois puissances

bull la puissance apparente S (exprimeacutee en VA) celle appeleacutee par le transformateur sur le reacuteseau

Sa valeur est S = U x I x radic 3

bull la puissance active P (exprimeacutee en W) celle qui produit un travail utile consommeacute par lrsquoinstallation Pour caracteacuteriser la quantiteacute de puissance active dis-ponible on utilise la notion de facteur de puissance qui est eacutegal agrave PS et agrave cos ϕ La valeur de la puissance active est

P = U x I x radic 3 x cos ϕ

bull la puissance reacuteactive Q (exprimeacutee en VAR) qui est neacutecessaire pour magneacutetiser les circuits des charges tels les moteurs

Sa valeur est Q = U x I x radic 3 x sin ϕ

La puissance apparente est deacutefinie par la relation

S = radicP2 + Q2

La figure 2 preacutesente le scheacutema eacutequivalent des puis-sances et une consommation excessive de puissance reacuteactive due agrave un mauvais cos ϕ de lrsquoinstallation Pour une puissance active donneacutee plus la puissance reacuteactive sera importante et plus le transformateur sera chargeacute et srsquoeacutechauffera (entraicircnant une diminution de sa dureacutee de vie) Car crsquoest la valeur de la puissance apparente qui fixe la limite de puissance du transformateur

Drsquoautre part le rendement du transformateur varie avec le cos ϕ (voir figure 3)

Il est donc important de diminuer la puissance reacuteactive consommeacutee

bull Les courants harmoniquesLes courants harmoniques sont des courants dont la freacutequence est un multiple de la freacutequence principale provoqueacutes par les charges non lineacuteaires du reacuteseau (comme les ordinateurs certains variateurs de vitessehellip) Ils ont des reacutepercussions potentiellement dommageables pour les transformateurs non seulement ils augmentent les pertes en charge de faccedilon plus que proportionnelle agrave lrsquoaugmentation de la charge mais aussi la tempeacuterature des enroulements et de la structure meacutetallique du transformateur reacuteduisant ainsi la dureacutee de vie du transformateur

Les pertes geacuteneacutereacutees par les courants de Foucault deacutependent du carreacute de la freacutequence aussi la preacutesence drsquoharmoniques multiples de la freacutequence fondamentale de 50 Hz provoque des pertes suppleacutementaires dans les enroulements et les parties structurelles meacutetalliques

bull Le facteur K

Les courants harmoniques augmentent la valeur du courant efficace non seulement cela constitue deacutejagrave un facteur drsquoaccroissement des pertes mais en plus la freacutequence des composantes harmoniques accentue cet accroissement

Il y a deux approches pour eacutevaluer lrsquoeffet des courants harmoniques sur les pertes

bull Le facteur Kbull Le calcul des pertes qui neacutecessite la connaissance

preacutecise des caracteacuteristiques du transformateur utiliseacute

Le facteur K ou facteur de deacuteclassement est le plus souvent utiliseacute car il est simple agrave calculer et agrave exploiterIl permet drsquoestimer le taux du deacuteclassement du trans-formateur en calculant lrsquoinfluence des courants har-moniques sur la charge du transformateur On estime ainsi de combien un transformateur standard est deacute-classeacute pour que les pertes totales dues agrave une charge non lineacuteaire ne deacutepassent pas les pertes preacutevues pour la freacutequence fondamentale lors de la conception du transformateur

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LrsquoAnnexe 2 - Facteur K preacutesente plus en deacutetail le calcul du facteur K

bull Les solutions pour reacuteduire les pertes in-situ

Il nrsquoy a pas de moyens externes permettant de modifier les pertes agrave vide car elles ne sont pas influenceacutees par les charges Par contre deux moyens externes permettent de reacuteduire les pertes suppleacutementaires dues agrave la charge

1 Compensation reacuteactive (batterie de condensateurs)Cette compensation permet drsquooptimiser lrsquoutilisation de la puissance du transformateur et de reacuteduire les pertes agrave 50 Hz2 Filtrage des courants harmoniquesLes pertes srsquoaccroissent avec les courants harmoniques Il existe plusieurs solutions de reacuteduction des courants harmoniques dans les reacuteseaux pollueacutes connaissance et reacuteduction du taux drsquoharmoniques agrave la source utilisation drsquoinductances anti-harmoniques en seacuterie avec les condensateurs de compensation du reacuteactif insertion de filtre passif etou actifs etc

314 Reacutepartition des pertes

On peut reacutesumer la situation des pertes sous la forme du graphique ci-contre

Transfo agrave vide

Transfo en chargeagrave Inominal

(P0 = 10 agrave15 de PDC)

Transfo en chargeagrave 70 sansharmoniques

PWE + PCE + PSE ~ 60 agrave 70 de PDC

PWE + PCE + PSE ~ 10 de PDC

PDC

Augmentation de5 agrave 8 de PDC

Transfo en charge

agrave 70 avecharmoniquesde courants

PDC PDCPDC

P0 P0P0P0

Figure 4 Reacutepartition des pertes

AvecPCC pertes dues agrave la charge au courant assigneacute et agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

P0 pertes agrave vide agrave la tension et agrave la freacutequence assigneacutees

S puissance assigneacutee

α facteur de charge

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

10 11

8 Lrsquoextrait de la norme NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo est reproduit avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets de la norme telle que diffuseacutee par AFNOR Editions ndash accessible via le site internet wwwboutiqueafnororg ndash ont valeur normative

315 Rendement

La norme NF EN 50464-18 indique que le rendement drsquoun transformateur de puissance est donneacute pour toute condition de charge par le rapport entre la puissance de sortie (P2) et la puissance drsquoentreacutee (P1)

η = P2P1

En raison de la difficulteacute agrave deacuteterminer le rendement par des mesures directes il peut ecirctre eacutevalueacute conventionnellement par les pertes garanties ou mesureacutees comme suit

α2 PCC + P0

α S + α2 PCC + P0

η = 100 1- ()( )

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Il est souhaitable que le transformateur soit exploiteacute agrave une charge raisonnable comprise entre 40 et 60 de sa charge nominale mais cela deacutepend aussi drsquoautres paramegravetres (cos ϕ tempeacuterature ambiante cycle de chargehellip)

Si la charge est supeacuterieure agrave 75 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une augmentation de sa puissance

A lrsquoinverse si la charge est infeacuterieure agrave 40 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une reacuteduction de sa puissance

Pertes (W) Rendement ()

Facteur de charge ()0 10 20 30

η

Ptot

Pcc

P0

40 50 60 70 80 90 100

η rendement Ptot pertes totalesPcc pertes en charge P0 pertes agrave vide

Figure 5 Allure de rendement en fonctionde la charge

La courbe typique du rendement drsquoun transforma-teur en fonction de sa charge est la suivante

Elle montre les pertes agrave vide les pertes dues agrave la charge le rendement en fonction de la charge du transformateur

Sur lrsquoexemple de la figure 5 le rendement est maximum pour un facteur de charge de 40

Quelque soit la puissance du transformateur il existe toujours un maximum entre le rendement et le facteur de charge en geacuteneacuteral aux alentours de 40-50 de la charge nominale

Puissance 1000 kVA

Pertes selon NF EN 50464-1

Niveau de pertes D0 Dk C0 Ck B0 Bk A0 Ak

Pertes agrave vide (W) 1400 1100 940 770

Pertes dues agrave la charge (W) 13000 10500 9000 7600

Charge 85 9861 9888 9904 9919

65 9884 9906 9920 9932

50 9898 9918 9930 9941

30 9906 9925 9936 9946

Exemple du rendement selon le niveau de pertes et la valeur de la charge

32 Normes et reacuteglementations applicablesActuellement il nrsquoexiste pas en Europe de reacuteglementation speacutecifique sur lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs de distri-bution De fait lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs est encore peu traiteacutee dans les leacutegislations europeacuteennes et franccedilaises

Drsquoun point de vue normatif diffeacuterents documents sont en vigueur et des certifications existent pour garantir la qualiteacute des transformateurs (ceux concernant en prioriteacute le domaine eacutenergeacutetique sont surligneacutes)

bull NF EN 50464-1 pour les transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-7 guide de charge pour les transformateurs immergeacutes

bull NF EN 50541-1 pour les transformateurs de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-12 guide de charge pour transformateurs de type sec

bull NF EN 60076-1 agrave 60076-5 transformateurs de puissance

bull NF EN 60076-11 transformateurs de puissance de type sec

La directive Eco-Design (dite directive ErP) (2009125EC adopteacutee en 2009) est conccedilue pour ameacuteliorer les performances environnementales et eacutenergeacutetiques sur le cycle de vie des eacutequipements lieacutees agrave lrsquoeacutenergie aussi elle permet drsquointroduire des exigences de performance eacutenergeacutetique

Dans ce cadre une application aux transformateurs de distribution est en cours de preacuteparation Lrsquoeacutetude preacuteparatoire est en consultation sur le site wwwecotransformerorg

Concernant la reacuteglementation sur les PCB se reacutefeacuterer au site du ministegravere wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

12 13

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergieLe dispositif des CEE (Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie) repose sur une obligation drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie imposeacutee aux fournisseurs drsquoeacutenergie (eacutelectriciteacute gaz fioul carburants hellip) Ces entreprises laquo obligeacutees raquo doivent soutenir ou accompagner des investissements ou actions drsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie chez les consommateurs sous peine de peacutenaliteacuteLes fournisseurs drsquoeacutenergie sont en capaciteacute de soutenir ou drsquoaider lrsquoachat drsquoeacutequipements figurant entre autres dans la liste des opeacuterations standardiseacutees par des maicirctres drsquoouvrage (entreprises industrielles ou tertiaire collectiviteacutes) Concregravetement cette aide se neacutegocie en amont de lrsquoinvestissement directement aupregraves des fournisseurs drsquoeacutenergie ou parfois aupregraves des fabricants drsquoeacutequipements

Trois actions standardiseacutees concernent les transformateurs

bull La fiche IN-UT-10 (industrie) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel pour les transformateurs de distribution industriels Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche RES-EL-01 (secteur reacuteseaux) - transformateur agrave haut rendement pour la distribution publique drsquoeacutelectriciteacute Elle concerne la laquo mise en place drsquoun transformateur de distribution publique agrave haut rendement (faibles pertes) triphaseacute immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 50 et 1 000 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie B0 ou A0 pour les pertes agrave vide Ck Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche BAT-EQ-21 (secteur des bacirctiments tertiaires) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes en charge

A noter que drsquoautres fiches sur

les transformateurs sont susceptibles drsquoecirctre ajouteacutees mais il nrsquoexiste pas encore

de fiches speacutecifiques aux transformateurs

de type secs

Estimation des kWh cumac

kWh cumac Pertes agrave vide Pertes en charge Coefficient de pertes en charge Total

2 transformateurs de 1 600 kVA 2 times 123 800 2 times 990 500 06 1 436 2002 transformateurs de 2 000 kVA 2 times 154 800 2 times 1 361 900 06 1 943 8801 transformateur de 2 500 kVA 1 times 179 500 1 times 1 671 500 06 1 182 400Total 736 700 6 376 300 06 4 562 480Pour en savoir plus Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

Extrait de la fiche IND-UT-10 pour calculer les kWh cumac

Pertes agrave vide Pertes en charge Mode de fonctionnement du site

Coefficient de pertes en charge

kVA C0 B0 A0 + Bk Ak x 1 x 8 02250 27 900 35 900 43 300 61 900 111 400 2 x 8 04315 31 000 40 900 50 800 80 500 136 200 3 x 8 avec arrecirct le WE 05400 39 600 50 800 61 900 92 900 167 100 3 x 8 sans arrecirct le WE 06500 47 000 60 700 73 000 111 400 198 100630 54 500 70 600 86 700 136 200 235 200800 27 200 43 300 61 900 433 300 557 200

1 000 37 100 57 000 78 000 495 300 668 6001250 49 500 74 300 99 100 619 100 804 8001 600 61 900 92 900 123 800 742 900 990 5002 000 74 300 111 400 154 800 990 500 1 361 9002 500 86 700 130 000 179 500 1 238 100 1 671 500

Exemple Une entreprise industrielle peut valoriser le remplacement de ses vieux transformateurs eacutenergivores par des transformateurs agrave pertes reacuteduitesLrsquoindustriel exploite 5 transformateurs deux de 1 600 kVA deux de 2 000 kVA et un de 2 500 kVA en 3x8 y compris le week-end Dans le cas de leur remplacement par des transformateurs de type A0Ak et selon la fiche IND-UT-10 cela correspond agrave 45 GWh cumac

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4 Le coucirct des pertes

41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14

411 Coucirct annuel des pertes 14

412 Coucirct global des transformateurs 15

413 La charge des transformateurs

profil de charge et pic de charge 15

42 Exemple 16

Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie

Exemple de charge pondeacutereacutee sur une journeacutee sur un site industriel

150

03

1

065

085

05

085

03

390 720 810 1320 1440Minutes

Fact

eur

de c

harg

e

Facteur de charge pondeacutereacutee 0724

K 2H x tsumt = 1440

t = 01440

41 Preacutesentation geacuteneacuterale

411 Coucirct annuel des pertes

Les pertes annuelles drsquoun transformateur peuvent ecirctre eacutevalueacutees selon la formule suivante

WPertes = (P0 + Pk times Ksup2 ) times 8760

Ougrave

WPertes montant des pertes annuelles en kWh

P0 pertes agrave vide en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

Pk pertes en charge en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

K facteur de charge pondeacutereacutee sur lrsquoanneacutee

8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)

Un exemple de calcul du facteur de charge pondeacutereacutee est donneacute ci-apregraves

Sur un jour (1440 minutes) le facteur de charge pondeacutereacutee est eacutegal agrave

Soit aussi

(032 x 150 + 0652 x 240 + 0852 x 330 + 052 x 90 + 0852 x 510 + 032 x 120) 1440

La charge pondeacutereacutee journaliegravere est alors de 0724

Charge pondeacutereacutee annuelle =

Pour eacutevaluer le coucirct des pertes durant la vie du transformateur il doit ecirctre actualiseacute en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le temps9

Ce calcul est appeleacute le laquo Coucirct Total Actualiseacute des pertes raquo Il est deacutefini par la formule suivante

Ougrave

C eacutevaluation du coucirct moyen par kWh par an

WPertes pertes annuelles

i taux drsquoactualisation

n dureacutee de vie espeacutereacutee du transformateur (en anneacutees)

K 2j x JsumJ = 365

J = 1365

CTApertes = C x WPertes x (1 + i)n - 1i x ( + i)n

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412 Coucirct global des transformateurs

Pour eacutevaluer eacuteconomiquement lrsquoachat drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie comme pour les pertes les coucircts drsquoachat drsquoexploitation et de maintenance doivent ecirctre compareacutes en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le tempsCertaines simplifications peuvent ecirctre retenues bien que chaque transformateur ait son propre coucirct drsquoachat et ses propres pertes les autres coucircts ceux drsquoinstallation de maintenance et drsquoeacutelimination en fin de vie sont sensiblement les mecircmes pour tous les types de transformateur de puissance identique et ils peuvent ne pas ecirctre pris en compte

Le calcul du coucirct global peut ecirctre calculeacute selon la formule suivante

CTO = PP + A times P0 + B times Pk

Lrsquoeacutevaluation des facteurs A et B est deacutelicate puisqursquoelle deacutepend de lrsquoeacutevolution du reacutegime de charge du transformateur du coucirct de lrsquoeacutenergie du taux drsquoactualisation et aussi de la dureacutee de vie eacuteconomique preacutevueIl faut aussi tenir compte de lrsquoeacutevolution de la charge et du prix de lrsquoeacutenergie durant la vie du transformateurTypiquement la fourchette de prix pour A se situe entre 6 et 10 euroW et pour B entre 1 et 4 euroWUne meacutethode relativement simple est proposeacutee ci-dessous permettant de deacuteterminer les facteurs A et B pour les transformateurs de distribution

A et B sont calculeacutes comme suit (pertes agrave vide actualiseacutees)

Ces formules reposent sur lrsquohypothegravese que le coucirct de lrsquoeacutenergie et le niveau de charge sont constants tout au long de la dureacutee de vie du transformateur

413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge

Les conditions de charge des transformateurs sont probablement le facteur le plus important agrave consideacuterer pour seacutelectionner de faccedilon optimale des transformateurs selon le niveau de pertesDe maniegravere geacuteneacuterale pour les transformateurs tregraves fortement chargeacutes lrsquoattention doit se porter sur les pertes dues agrave la charge et pour ceux agrave faible charge sur les pertes agrave videLes transformateurs dans le secteur industriel de lrsquoUE-27 ont une charge moyenne de 40 environ et un pic de charge de 70 10 En comparaison la charge moyenne des transformateurs chez les distributeurs drsquoeacutenergie eacutelectrique dans lrsquoUE-27 est drsquoenviron 20 et le pic de charge est de 55 environ

9 Le concept du laquo coucirct de lrsquoargent raquo signifie qursquoune somme drsquoargent disponible immeacutediatement a une valeur plus importante que la mecircme somme disponible plus tard10 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

14 15

(1 + i)n - 1i x (1 + i)nA = CkWh x 8760 x

(1 + i)n - 1i x ( 1 + i)nB = CkWh x 8760 x k2 x

Ougrave

i taux drsquoactualisation ( an)n dureacutee de vie (en anneacutee)C kWh prix du kWh (eurokWh) 8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)k facteur de charge pondeacutereacute sur lrsquoanneacutee

OugravePP coucirct drsquoachat du transformateurA coucirct des pertes agrave vide (exprimeacute en euroW)P0 total des pertes agrave vide garanties B coucirct des pertes dues agrave la charge (exprimeacute en euroW)Pk pertes dues agrave la charge garanties

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42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 8: Ademe Transfo WEB

Un transformateur fonctionne en geacuteneacuteral agrave une charge t infeacuterieure agrave 100 soit une puissance effective deacutefinie par

Peff (en kW) = k x Sn (en kVA) x cos ϕ

k repreacutesente le facteur de charge t sous la tension en charge

23 Principales caracteacuteristiques

Les transformateurs se caracteacuterisent par

bull la reacutefeacuterence normative (NF EN 50464-1 par exemple)bull la freacutequence assigneacuteebull le type (immergeacute sec) et la nature du dieacutelectrique en

cas de transformateur immergeacute (huile mineacuterale ester naturel ou de synthegravese ou autre)

bull leur puissance assigneacutee exprimeacutee en kVA (Sn)bull les tensions assigneacutees primaire et secondaire (Ur) (parfois appeleacutees aussi nominales) exprimeacutees en V bull le couplage et lrsquoindice horairebull les niveaux de pertes dues agrave la charge (Pk en W)bull le niveau de pertes agrave vide (P0 en W)

bull le type de refroidissement - pour les transformateurs de type secs AN (air naturel)

AF (air forceacute) - pour les transformateurs immergeacutes ONAN (huile

naturel air naturel)bull lrsquoanneacutee de constructionbull les reacuteparations eacuteventuelles effectueacutees (rebobinage

huile dieacutelectriquehellip)bull les eacutequipements de protection (relais de protection

capots de protectionhellip)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

6 7

22 Types

Pour les transformateurs immergeacutes et les transformateurs de type secs les normes indiquent les niveaux des pertes en fonction de la puissance

La norme NF EN 50464-1 relative aux transformateurs immergeacutes drsquoune puissance comprise entre 50 et 2500 kVA distingue quatre niveaux de pertes dues agrave la charge (Ak - Bk - Ck et Dk) et cinq niveaux de pertes agrave vide (A0 - B0 - C0 - D0 et E0) Les pertes Ak (respectivement A0) sont plus faibles que les pertes Dk (respectivement E0) Pour une mecircme utilisation un transformateur A0-Ak est plus efficace qursquoun transformateur E0-Dk qui preacutesente les plus grandes pertes

La norme NF EN 50541-1 relative aux transformateurs de types secs drsquoune puissance comprise entre 100 et 3150 kVA distingue deux niveaux de pertes dues agrave la charge (Ak Bk) et trois niveaux de pertes agrave vide (A0 B0 C0)

Les pertes Ak (respectivement A0) sont plus faibles que les pertes Bk (respectivement C0) Pour une mecircme utilisation un transformateur A0-Ak est plus efficace qursquoun transformateur C0-Bk qui preacutesente les plus grandes pertes

Les transformateurs de types secs ont des pertes supeacute-rieures agrave celles des transformateurs immergeacutes

Lrsquoannexe 1 Norme sur les pertes et le bruit en fin du guide preacutesente en deacutetail les niveaux des pertes

Schn

eide

r Ele

ctric

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3 Les transformateurs de distribution et lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique

31 Deacutefinition des pertes et du rendement

Les pertes des transformateurs comprennent principalement deux types de pertes bull les pertes agrave vide (P0) appeleacutees aussi pertes ferbull les pertes dues agrave la charge (Pk) auxquelles srsquoajoutent les pertes suppleacute-

mentaires geacuteneacutereacutees par les harmoniques de courant

311 Pertes agrave vide (P0)Ces pertes se produisent degraves que le transformateur est sous-tension elles sont lieacutees agrave la tension du reacuteseau drsquoalimentation qui creacutee un flux dans le circuit magneacutetique du transformateur

Ces pertes deacutependent de la freacutequence et de la tension appliqueacutee

En pratique la freacutequence fondamentale des reacuteseaux eacutelectriques est tregraves stable et si lrsquoon considegravere que les harmoniques de tension cocircteacute primaire ont peu drsquoimpact les pertes agrave vide sont constantes et indeacutependantes de la charge du transformateur

Elles se composent

1 Des pertes par hysteacutereacutesisElles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique Ces pertes deacutependent du type de mateacuteriau utiliseacute pour la construc-tion du circuit magneacutetique du transformateur et sont proportionnelles agrave la freacutequence Les pertes par hysteacutereacutesis peuvent aujourdrsquohui ecirctre reacuteduites par le choix de tocircles agrave grains orienteacutes lamineacutees agrave froid et ameacutelioreacutees par un traitement laser Les pertes par hysteacutereacutesis sont responsables de plus de la moitieacute des pertes agrave vide (entre 50 et 60 ) 2 Des pertes par courant de Foucault3

Elles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique produisant des courants de Foucault Elles deacutependent de lrsquoeacutepaisseur de la reacutesistiviteacute du mateacuteriau et du carreacute de la freacutequenceLes pertes par courant de Foucault repreacutesentent 40 agrave 50 des pertes agrave vide

Les pertes agrave vide repreacutesentent en moyenne de 01 agrave 02 de la puissance assigneacutee Sn

Les pertes des transformateurs

comprennent principalement deux

types de pertes pertes agrave vide et pertes

dues agrave la charge

31 Deacutefinition des pertes et du rendement 8

311 Pertes agrave vide (P0) 8

312 Pertes dues agrave la charge (Pk) 9

313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux harmoniques et agrave la puissance reacuteactive 10

314 Reacutepartition des pertes 11

315 Rendement 11

32 Normes et reacuteglementations applicables 12

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie 13

Gim

eacutelec

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312 Pertes dues agrave la charge (Pk)Elles sont composeacutees des

1 Pertes Joule dans les conducteurs des enroulements primaires et secondaires (PDC )4

2 Pertes parasites par courants de Foucault dans les enroulements (PWE )5

3 Pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions (PCE )6 pertes parasites dans les parties structurelles

meacutetalliques (PSE)7

Toutes les pertes sont variables car elles sont proportionnelles au carreacute du courant traversant les enroulements

Ces pertes sont lieacutees au fondamental du courant ainsi qursquoaux courants harmoniques dont il faut connaicirctre le spectre et lrsquoamplitude des composantes car ces courants harmoniques vont accroicirctre les pertes dues agrave la charge

Les pertes JouleCes pertes apparaissent dans les enroulements du transformateur et sont causeacutees par la reacutesistance du conducteur Leur amplitude varie en fonction du carreacute du courant de charge et est proportionnelle agrave la reacutesistance du bobinage Elles peuvent ecirctre reacuteduites en augmentant la section du conducteur

Les pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements Le courant alternatif lieacute au fonctionnement du transformateur et parcourant le conducteur constituant les enroulements engendre un champ magneacutetique Ce champ va ecirctre agrave lrsquoorigine de courants induits appeleacutes courants de Foucault se superposant au courant de fonctionnement et provoquant des pertes ohmiques suppleacutementaires eacutegalement appeleacutes pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements (P

WE)

Les pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions et dans les parties structurelles meacutetalliquesUn conducteur parcouru par un courant alternatif va creacuteer un champ drsquoinduction variable geacuteneacuterant un courant induit dans les parties meacutetalliques constituant la structure du transformateur et produire des pertes suppleacutementaires ces pertes sont appeleacutees pertes parasites par courant de Foucault dans les parties structurelles meacutetalliques (PSE) et dans les connexions agrave fort courant (PCE)

Les pertes dues agrave la charge repreacutesentent en moyenne de 07 agrave 1 de la puissance nominale assigneacutee (agrave 100 de la charge)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

8 9

3 Pheacutenomegravene deacutecouvert par le physicien franccedilais Leacuteon Foucault en 18514 P

DC Direct Current Loss

5 PWE

Winding Eddy Loss6 P

CE Connection Eddy loss

7 PSE Structural Stray Loss

ALS

MTO

M

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10010806

Rendement η ()

Cos ϕ

Facteur de charge ()

50

0

Figure 2 Scheacutema eacutequivalent des puissances

P

ϕ2

ϕ1

S2

Q2

Q1

S1

Q

Puissance utile neacutecessaire

Puissance apparente nominaledu transformateur

Consommation excessive de puissance reacuteactive Puissance du transformateur insuffisante

Figure 3 Allure du rendement pour diffeacuterents facteurs de charge et diffeacuterents cos ϕ 313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux

harmoniques et agrave la puissance reacuteactive

Ces pertes ont pour origine la puissance reacuteactive et les courants harmoniques

bull Sur la puissance reacuteactive

Comme le montre la figure ci-dessus on distingue trois puissances

bull la puissance apparente S (exprimeacutee en VA) celle appeleacutee par le transformateur sur le reacuteseau

Sa valeur est S = U x I x radic 3

bull la puissance active P (exprimeacutee en W) celle qui produit un travail utile consommeacute par lrsquoinstallation Pour caracteacuteriser la quantiteacute de puissance active dis-ponible on utilise la notion de facteur de puissance qui est eacutegal agrave PS et agrave cos ϕ La valeur de la puissance active est

P = U x I x radic 3 x cos ϕ

bull la puissance reacuteactive Q (exprimeacutee en VAR) qui est neacutecessaire pour magneacutetiser les circuits des charges tels les moteurs

Sa valeur est Q = U x I x radic 3 x sin ϕ

La puissance apparente est deacutefinie par la relation

S = radicP2 + Q2

La figure 2 preacutesente le scheacutema eacutequivalent des puis-sances et une consommation excessive de puissance reacuteactive due agrave un mauvais cos ϕ de lrsquoinstallation Pour une puissance active donneacutee plus la puissance reacuteactive sera importante et plus le transformateur sera chargeacute et srsquoeacutechauffera (entraicircnant une diminution de sa dureacutee de vie) Car crsquoest la valeur de la puissance apparente qui fixe la limite de puissance du transformateur

Drsquoautre part le rendement du transformateur varie avec le cos ϕ (voir figure 3)

Il est donc important de diminuer la puissance reacuteactive consommeacutee

bull Les courants harmoniquesLes courants harmoniques sont des courants dont la freacutequence est un multiple de la freacutequence principale provoqueacutes par les charges non lineacuteaires du reacuteseau (comme les ordinateurs certains variateurs de vitessehellip) Ils ont des reacutepercussions potentiellement dommageables pour les transformateurs non seulement ils augmentent les pertes en charge de faccedilon plus que proportionnelle agrave lrsquoaugmentation de la charge mais aussi la tempeacuterature des enroulements et de la structure meacutetallique du transformateur reacuteduisant ainsi la dureacutee de vie du transformateur

Les pertes geacuteneacutereacutees par les courants de Foucault deacutependent du carreacute de la freacutequence aussi la preacutesence drsquoharmoniques multiples de la freacutequence fondamentale de 50 Hz provoque des pertes suppleacutementaires dans les enroulements et les parties structurelles meacutetalliques

bull Le facteur K

Les courants harmoniques augmentent la valeur du courant efficace non seulement cela constitue deacutejagrave un facteur drsquoaccroissement des pertes mais en plus la freacutequence des composantes harmoniques accentue cet accroissement

Il y a deux approches pour eacutevaluer lrsquoeffet des courants harmoniques sur les pertes

bull Le facteur Kbull Le calcul des pertes qui neacutecessite la connaissance

preacutecise des caracteacuteristiques du transformateur utiliseacute

Le facteur K ou facteur de deacuteclassement est le plus souvent utiliseacute car il est simple agrave calculer et agrave exploiterIl permet drsquoestimer le taux du deacuteclassement du trans-formateur en calculant lrsquoinfluence des courants har-moniques sur la charge du transformateur On estime ainsi de combien un transformateur standard est deacute-classeacute pour que les pertes totales dues agrave une charge non lineacuteaire ne deacutepassent pas les pertes preacutevues pour la freacutequence fondamentale lors de la conception du transformateur

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LrsquoAnnexe 2 - Facteur K preacutesente plus en deacutetail le calcul du facteur K

bull Les solutions pour reacuteduire les pertes in-situ

Il nrsquoy a pas de moyens externes permettant de modifier les pertes agrave vide car elles ne sont pas influenceacutees par les charges Par contre deux moyens externes permettent de reacuteduire les pertes suppleacutementaires dues agrave la charge

1 Compensation reacuteactive (batterie de condensateurs)Cette compensation permet drsquooptimiser lrsquoutilisation de la puissance du transformateur et de reacuteduire les pertes agrave 50 Hz2 Filtrage des courants harmoniquesLes pertes srsquoaccroissent avec les courants harmoniques Il existe plusieurs solutions de reacuteduction des courants harmoniques dans les reacuteseaux pollueacutes connaissance et reacuteduction du taux drsquoharmoniques agrave la source utilisation drsquoinductances anti-harmoniques en seacuterie avec les condensateurs de compensation du reacuteactif insertion de filtre passif etou actifs etc

314 Reacutepartition des pertes

On peut reacutesumer la situation des pertes sous la forme du graphique ci-contre

Transfo agrave vide

Transfo en chargeagrave Inominal

(P0 = 10 agrave15 de PDC)

Transfo en chargeagrave 70 sansharmoniques

PWE + PCE + PSE ~ 60 agrave 70 de PDC

PWE + PCE + PSE ~ 10 de PDC

PDC

Augmentation de5 agrave 8 de PDC

Transfo en charge

agrave 70 avecharmoniquesde courants

PDC PDCPDC

P0 P0P0P0

Figure 4 Reacutepartition des pertes

AvecPCC pertes dues agrave la charge au courant assigneacute et agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

P0 pertes agrave vide agrave la tension et agrave la freacutequence assigneacutees

S puissance assigneacutee

α facteur de charge

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

10 11

8 Lrsquoextrait de la norme NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo est reproduit avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets de la norme telle que diffuseacutee par AFNOR Editions ndash accessible via le site internet wwwboutiqueafnororg ndash ont valeur normative

315 Rendement

La norme NF EN 50464-18 indique que le rendement drsquoun transformateur de puissance est donneacute pour toute condition de charge par le rapport entre la puissance de sortie (P2) et la puissance drsquoentreacutee (P1)

η = P2P1

En raison de la difficulteacute agrave deacuteterminer le rendement par des mesures directes il peut ecirctre eacutevalueacute conventionnellement par les pertes garanties ou mesureacutees comme suit

α2 PCC + P0

α S + α2 PCC + P0

η = 100 1- ()( )

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Il est souhaitable que le transformateur soit exploiteacute agrave une charge raisonnable comprise entre 40 et 60 de sa charge nominale mais cela deacutepend aussi drsquoautres paramegravetres (cos ϕ tempeacuterature ambiante cycle de chargehellip)

Si la charge est supeacuterieure agrave 75 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une augmentation de sa puissance

A lrsquoinverse si la charge est infeacuterieure agrave 40 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une reacuteduction de sa puissance

Pertes (W) Rendement ()

Facteur de charge ()0 10 20 30

η

Ptot

Pcc

P0

40 50 60 70 80 90 100

η rendement Ptot pertes totalesPcc pertes en charge P0 pertes agrave vide

Figure 5 Allure de rendement en fonctionde la charge

La courbe typique du rendement drsquoun transforma-teur en fonction de sa charge est la suivante

Elle montre les pertes agrave vide les pertes dues agrave la charge le rendement en fonction de la charge du transformateur

Sur lrsquoexemple de la figure 5 le rendement est maximum pour un facteur de charge de 40

Quelque soit la puissance du transformateur il existe toujours un maximum entre le rendement et le facteur de charge en geacuteneacuteral aux alentours de 40-50 de la charge nominale

Puissance 1000 kVA

Pertes selon NF EN 50464-1

Niveau de pertes D0 Dk C0 Ck B0 Bk A0 Ak

Pertes agrave vide (W) 1400 1100 940 770

Pertes dues agrave la charge (W) 13000 10500 9000 7600

Charge 85 9861 9888 9904 9919

65 9884 9906 9920 9932

50 9898 9918 9930 9941

30 9906 9925 9936 9946

Exemple du rendement selon le niveau de pertes et la valeur de la charge

32 Normes et reacuteglementations applicablesActuellement il nrsquoexiste pas en Europe de reacuteglementation speacutecifique sur lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs de distri-bution De fait lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs est encore peu traiteacutee dans les leacutegislations europeacuteennes et franccedilaises

Drsquoun point de vue normatif diffeacuterents documents sont en vigueur et des certifications existent pour garantir la qualiteacute des transformateurs (ceux concernant en prioriteacute le domaine eacutenergeacutetique sont surligneacutes)

bull NF EN 50464-1 pour les transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-7 guide de charge pour les transformateurs immergeacutes

bull NF EN 50541-1 pour les transformateurs de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-12 guide de charge pour transformateurs de type sec

bull NF EN 60076-1 agrave 60076-5 transformateurs de puissance

bull NF EN 60076-11 transformateurs de puissance de type sec

La directive Eco-Design (dite directive ErP) (2009125EC adopteacutee en 2009) est conccedilue pour ameacuteliorer les performances environnementales et eacutenergeacutetiques sur le cycle de vie des eacutequipements lieacutees agrave lrsquoeacutenergie aussi elle permet drsquointroduire des exigences de performance eacutenergeacutetique

Dans ce cadre une application aux transformateurs de distribution est en cours de preacuteparation Lrsquoeacutetude preacuteparatoire est en consultation sur le site wwwecotransformerorg

Concernant la reacuteglementation sur les PCB se reacutefeacuterer au site du ministegravere wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

12 13

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergieLe dispositif des CEE (Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie) repose sur une obligation drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie imposeacutee aux fournisseurs drsquoeacutenergie (eacutelectriciteacute gaz fioul carburants hellip) Ces entreprises laquo obligeacutees raquo doivent soutenir ou accompagner des investissements ou actions drsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie chez les consommateurs sous peine de peacutenaliteacuteLes fournisseurs drsquoeacutenergie sont en capaciteacute de soutenir ou drsquoaider lrsquoachat drsquoeacutequipements figurant entre autres dans la liste des opeacuterations standardiseacutees par des maicirctres drsquoouvrage (entreprises industrielles ou tertiaire collectiviteacutes) Concregravetement cette aide se neacutegocie en amont de lrsquoinvestissement directement aupregraves des fournisseurs drsquoeacutenergie ou parfois aupregraves des fabricants drsquoeacutequipements

Trois actions standardiseacutees concernent les transformateurs

bull La fiche IN-UT-10 (industrie) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel pour les transformateurs de distribution industriels Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche RES-EL-01 (secteur reacuteseaux) - transformateur agrave haut rendement pour la distribution publique drsquoeacutelectriciteacute Elle concerne la laquo mise en place drsquoun transformateur de distribution publique agrave haut rendement (faibles pertes) triphaseacute immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 50 et 1 000 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie B0 ou A0 pour les pertes agrave vide Ck Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche BAT-EQ-21 (secteur des bacirctiments tertiaires) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes en charge

A noter que drsquoautres fiches sur

les transformateurs sont susceptibles drsquoecirctre ajouteacutees mais il nrsquoexiste pas encore

de fiches speacutecifiques aux transformateurs

de type secs

Estimation des kWh cumac

kWh cumac Pertes agrave vide Pertes en charge Coefficient de pertes en charge Total

2 transformateurs de 1 600 kVA 2 times 123 800 2 times 990 500 06 1 436 2002 transformateurs de 2 000 kVA 2 times 154 800 2 times 1 361 900 06 1 943 8801 transformateur de 2 500 kVA 1 times 179 500 1 times 1 671 500 06 1 182 400Total 736 700 6 376 300 06 4 562 480Pour en savoir plus Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

Extrait de la fiche IND-UT-10 pour calculer les kWh cumac

Pertes agrave vide Pertes en charge Mode de fonctionnement du site

Coefficient de pertes en charge

kVA C0 B0 A0 + Bk Ak x 1 x 8 02250 27 900 35 900 43 300 61 900 111 400 2 x 8 04315 31 000 40 900 50 800 80 500 136 200 3 x 8 avec arrecirct le WE 05400 39 600 50 800 61 900 92 900 167 100 3 x 8 sans arrecirct le WE 06500 47 000 60 700 73 000 111 400 198 100630 54 500 70 600 86 700 136 200 235 200800 27 200 43 300 61 900 433 300 557 200

1 000 37 100 57 000 78 000 495 300 668 6001250 49 500 74 300 99 100 619 100 804 8001 600 61 900 92 900 123 800 742 900 990 5002 000 74 300 111 400 154 800 990 500 1 361 9002 500 86 700 130 000 179 500 1 238 100 1 671 500

Exemple Une entreprise industrielle peut valoriser le remplacement de ses vieux transformateurs eacutenergivores par des transformateurs agrave pertes reacuteduitesLrsquoindustriel exploite 5 transformateurs deux de 1 600 kVA deux de 2 000 kVA et un de 2 500 kVA en 3x8 y compris le week-end Dans le cas de leur remplacement par des transformateurs de type A0Ak et selon la fiche IND-UT-10 cela correspond agrave 45 GWh cumac

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4 Le coucirct des pertes

41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14

411 Coucirct annuel des pertes 14

412 Coucirct global des transformateurs 15

413 La charge des transformateurs

profil de charge et pic de charge 15

42 Exemple 16

Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie

Exemple de charge pondeacutereacutee sur une journeacutee sur un site industriel

150

03

1

065

085

05

085

03

390 720 810 1320 1440Minutes

Fact

eur

de c

harg

e

Facteur de charge pondeacutereacutee 0724

K 2H x tsumt = 1440

t = 01440

41 Preacutesentation geacuteneacuterale

411 Coucirct annuel des pertes

Les pertes annuelles drsquoun transformateur peuvent ecirctre eacutevalueacutees selon la formule suivante

WPertes = (P0 + Pk times Ksup2 ) times 8760

Ougrave

WPertes montant des pertes annuelles en kWh

P0 pertes agrave vide en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

Pk pertes en charge en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

K facteur de charge pondeacutereacutee sur lrsquoanneacutee

8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)

Un exemple de calcul du facteur de charge pondeacutereacutee est donneacute ci-apregraves

Sur un jour (1440 minutes) le facteur de charge pondeacutereacutee est eacutegal agrave

Soit aussi

(032 x 150 + 0652 x 240 + 0852 x 330 + 052 x 90 + 0852 x 510 + 032 x 120) 1440

La charge pondeacutereacutee journaliegravere est alors de 0724

Charge pondeacutereacutee annuelle =

Pour eacutevaluer le coucirct des pertes durant la vie du transformateur il doit ecirctre actualiseacute en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le temps9

Ce calcul est appeleacute le laquo Coucirct Total Actualiseacute des pertes raquo Il est deacutefini par la formule suivante

Ougrave

C eacutevaluation du coucirct moyen par kWh par an

WPertes pertes annuelles

i taux drsquoactualisation

n dureacutee de vie espeacutereacutee du transformateur (en anneacutees)

K 2j x JsumJ = 365

J = 1365

CTApertes = C x WPertes x (1 + i)n - 1i x ( + i)n

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412 Coucirct global des transformateurs

Pour eacutevaluer eacuteconomiquement lrsquoachat drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie comme pour les pertes les coucircts drsquoachat drsquoexploitation et de maintenance doivent ecirctre compareacutes en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le tempsCertaines simplifications peuvent ecirctre retenues bien que chaque transformateur ait son propre coucirct drsquoachat et ses propres pertes les autres coucircts ceux drsquoinstallation de maintenance et drsquoeacutelimination en fin de vie sont sensiblement les mecircmes pour tous les types de transformateur de puissance identique et ils peuvent ne pas ecirctre pris en compte

Le calcul du coucirct global peut ecirctre calculeacute selon la formule suivante

CTO = PP + A times P0 + B times Pk

Lrsquoeacutevaluation des facteurs A et B est deacutelicate puisqursquoelle deacutepend de lrsquoeacutevolution du reacutegime de charge du transformateur du coucirct de lrsquoeacutenergie du taux drsquoactualisation et aussi de la dureacutee de vie eacuteconomique preacutevueIl faut aussi tenir compte de lrsquoeacutevolution de la charge et du prix de lrsquoeacutenergie durant la vie du transformateurTypiquement la fourchette de prix pour A se situe entre 6 et 10 euroW et pour B entre 1 et 4 euroWUne meacutethode relativement simple est proposeacutee ci-dessous permettant de deacuteterminer les facteurs A et B pour les transformateurs de distribution

A et B sont calculeacutes comme suit (pertes agrave vide actualiseacutees)

Ces formules reposent sur lrsquohypothegravese que le coucirct de lrsquoeacutenergie et le niveau de charge sont constants tout au long de la dureacutee de vie du transformateur

413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge

Les conditions de charge des transformateurs sont probablement le facteur le plus important agrave consideacuterer pour seacutelectionner de faccedilon optimale des transformateurs selon le niveau de pertesDe maniegravere geacuteneacuterale pour les transformateurs tregraves fortement chargeacutes lrsquoattention doit se porter sur les pertes dues agrave la charge et pour ceux agrave faible charge sur les pertes agrave videLes transformateurs dans le secteur industriel de lrsquoUE-27 ont une charge moyenne de 40 environ et un pic de charge de 70 10 En comparaison la charge moyenne des transformateurs chez les distributeurs drsquoeacutenergie eacutelectrique dans lrsquoUE-27 est drsquoenviron 20 et le pic de charge est de 55 environ

9 Le concept du laquo coucirct de lrsquoargent raquo signifie qursquoune somme drsquoargent disponible immeacutediatement a une valeur plus importante que la mecircme somme disponible plus tard10 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

14 15

(1 + i)n - 1i x (1 + i)nA = CkWh x 8760 x

(1 + i)n - 1i x ( 1 + i)nB = CkWh x 8760 x k2 x

Ougrave

i taux drsquoactualisation ( an)n dureacutee de vie (en anneacutee)C kWh prix du kWh (eurokWh) 8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)k facteur de charge pondeacutereacute sur lrsquoanneacutee

OugravePP coucirct drsquoachat du transformateurA coucirct des pertes agrave vide (exprimeacute en euroW)P0 total des pertes agrave vide garanties B coucirct des pertes dues agrave la charge (exprimeacute en euroW)Pk pertes dues agrave la charge garanties

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42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 9: Ademe Transfo WEB

3 Les transformateurs de distribution et lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique

31 Deacutefinition des pertes et du rendement

Les pertes des transformateurs comprennent principalement deux types de pertes bull les pertes agrave vide (P0) appeleacutees aussi pertes ferbull les pertes dues agrave la charge (Pk) auxquelles srsquoajoutent les pertes suppleacute-

mentaires geacuteneacutereacutees par les harmoniques de courant

311 Pertes agrave vide (P0)Ces pertes se produisent degraves que le transformateur est sous-tension elles sont lieacutees agrave la tension du reacuteseau drsquoalimentation qui creacutee un flux dans le circuit magneacutetique du transformateur

Ces pertes deacutependent de la freacutequence et de la tension appliqueacutee

En pratique la freacutequence fondamentale des reacuteseaux eacutelectriques est tregraves stable et si lrsquoon considegravere que les harmoniques de tension cocircteacute primaire ont peu drsquoimpact les pertes agrave vide sont constantes et indeacutependantes de la charge du transformateur

Elles se composent

1 Des pertes par hysteacutereacutesisElles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique Ces pertes deacutependent du type de mateacuteriau utiliseacute pour la construc-tion du circuit magneacutetique du transformateur et sont proportionnelles agrave la freacutequence Les pertes par hysteacutereacutesis peuvent aujourdrsquohui ecirctre reacuteduites par le choix de tocircles agrave grains orienteacutes lamineacutees agrave froid et ameacutelioreacutees par un traitement laser Les pertes par hysteacutereacutesis sont responsables de plus de la moitieacute des pertes agrave vide (entre 50 et 60 ) 2 Des pertes par courant de Foucault3

Elles sont dues agrave la variation du flux dans le circuit magneacutetique produisant des courants de Foucault Elles deacutependent de lrsquoeacutepaisseur de la reacutesistiviteacute du mateacuteriau et du carreacute de la freacutequenceLes pertes par courant de Foucault repreacutesentent 40 agrave 50 des pertes agrave vide

Les pertes agrave vide repreacutesentent en moyenne de 01 agrave 02 de la puissance assigneacutee Sn

Les pertes des transformateurs

comprennent principalement deux

types de pertes pertes agrave vide et pertes

dues agrave la charge

31 Deacutefinition des pertes et du rendement 8

311 Pertes agrave vide (P0) 8

312 Pertes dues agrave la charge (Pk) 9

313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux harmoniques et agrave la puissance reacuteactive 10

314 Reacutepartition des pertes 11

315 Rendement 11

32 Normes et reacuteglementations applicables 12

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie 13

Gim

eacutelec

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312 Pertes dues agrave la charge (Pk)Elles sont composeacutees des

1 Pertes Joule dans les conducteurs des enroulements primaires et secondaires (PDC )4

2 Pertes parasites par courants de Foucault dans les enroulements (PWE )5

3 Pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions (PCE )6 pertes parasites dans les parties structurelles

meacutetalliques (PSE)7

Toutes les pertes sont variables car elles sont proportionnelles au carreacute du courant traversant les enroulements

Ces pertes sont lieacutees au fondamental du courant ainsi qursquoaux courants harmoniques dont il faut connaicirctre le spectre et lrsquoamplitude des composantes car ces courants harmoniques vont accroicirctre les pertes dues agrave la charge

Les pertes JouleCes pertes apparaissent dans les enroulements du transformateur et sont causeacutees par la reacutesistance du conducteur Leur amplitude varie en fonction du carreacute du courant de charge et est proportionnelle agrave la reacutesistance du bobinage Elles peuvent ecirctre reacuteduites en augmentant la section du conducteur

Les pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements Le courant alternatif lieacute au fonctionnement du transformateur et parcourant le conducteur constituant les enroulements engendre un champ magneacutetique Ce champ va ecirctre agrave lrsquoorigine de courants induits appeleacutes courants de Foucault se superposant au courant de fonctionnement et provoquant des pertes ohmiques suppleacutementaires eacutegalement appeleacutes pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements (P

WE)

Les pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions et dans les parties structurelles meacutetalliquesUn conducteur parcouru par un courant alternatif va creacuteer un champ drsquoinduction variable geacuteneacuterant un courant induit dans les parties meacutetalliques constituant la structure du transformateur et produire des pertes suppleacutementaires ces pertes sont appeleacutees pertes parasites par courant de Foucault dans les parties structurelles meacutetalliques (PSE) et dans les connexions agrave fort courant (PCE)

Les pertes dues agrave la charge repreacutesentent en moyenne de 07 agrave 1 de la puissance nominale assigneacutee (agrave 100 de la charge)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

8 9

3 Pheacutenomegravene deacutecouvert par le physicien franccedilais Leacuteon Foucault en 18514 P

DC Direct Current Loss

5 PWE

Winding Eddy Loss6 P

CE Connection Eddy loss

7 PSE Structural Stray Loss

ALS

MTO

M

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10010806

Rendement η ()

Cos ϕ

Facteur de charge ()

50

0

Figure 2 Scheacutema eacutequivalent des puissances

P

ϕ2

ϕ1

S2

Q2

Q1

S1

Q

Puissance utile neacutecessaire

Puissance apparente nominaledu transformateur

Consommation excessive de puissance reacuteactive Puissance du transformateur insuffisante

Figure 3 Allure du rendement pour diffeacuterents facteurs de charge et diffeacuterents cos ϕ 313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux

harmoniques et agrave la puissance reacuteactive

Ces pertes ont pour origine la puissance reacuteactive et les courants harmoniques

bull Sur la puissance reacuteactive

Comme le montre la figure ci-dessus on distingue trois puissances

bull la puissance apparente S (exprimeacutee en VA) celle appeleacutee par le transformateur sur le reacuteseau

Sa valeur est S = U x I x radic 3

bull la puissance active P (exprimeacutee en W) celle qui produit un travail utile consommeacute par lrsquoinstallation Pour caracteacuteriser la quantiteacute de puissance active dis-ponible on utilise la notion de facteur de puissance qui est eacutegal agrave PS et agrave cos ϕ La valeur de la puissance active est

P = U x I x radic 3 x cos ϕ

bull la puissance reacuteactive Q (exprimeacutee en VAR) qui est neacutecessaire pour magneacutetiser les circuits des charges tels les moteurs

Sa valeur est Q = U x I x radic 3 x sin ϕ

La puissance apparente est deacutefinie par la relation

S = radicP2 + Q2

La figure 2 preacutesente le scheacutema eacutequivalent des puis-sances et une consommation excessive de puissance reacuteactive due agrave un mauvais cos ϕ de lrsquoinstallation Pour une puissance active donneacutee plus la puissance reacuteactive sera importante et plus le transformateur sera chargeacute et srsquoeacutechauffera (entraicircnant une diminution de sa dureacutee de vie) Car crsquoest la valeur de la puissance apparente qui fixe la limite de puissance du transformateur

Drsquoautre part le rendement du transformateur varie avec le cos ϕ (voir figure 3)

Il est donc important de diminuer la puissance reacuteactive consommeacutee

bull Les courants harmoniquesLes courants harmoniques sont des courants dont la freacutequence est un multiple de la freacutequence principale provoqueacutes par les charges non lineacuteaires du reacuteseau (comme les ordinateurs certains variateurs de vitessehellip) Ils ont des reacutepercussions potentiellement dommageables pour les transformateurs non seulement ils augmentent les pertes en charge de faccedilon plus que proportionnelle agrave lrsquoaugmentation de la charge mais aussi la tempeacuterature des enroulements et de la structure meacutetallique du transformateur reacuteduisant ainsi la dureacutee de vie du transformateur

Les pertes geacuteneacutereacutees par les courants de Foucault deacutependent du carreacute de la freacutequence aussi la preacutesence drsquoharmoniques multiples de la freacutequence fondamentale de 50 Hz provoque des pertes suppleacutementaires dans les enroulements et les parties structurelles meacutetalliques

bull Le facteur K

Les courants harmoniques augmentent la valeur du courant efficace non seulement cela constitue deacutejagrave un facteur drsquoaccroissement des pertes mais en plus la freacutequence des composantes harmoniques accentue cet accroissement

Il y a deux approches pour eacutevaluer lrsquoeffet des courants harmoniques sur les pertes

bull Le facteur Kbull Le calcul des pertes qui neacutecessite la connaissance

preacutecise des caracteacuteristiques du transformateur utiliseacute

Le facteur K ou facteur de deacuteclassement est le plus souvent utiliseacute car il est simple agrave calculer et agrave exploiterIl permet drsquoestimer le taux du deacuteclassement du trans-formateur en calculant lrsquoinfluence des courants har-moniques sur la charge du transformateur On estime ainsi de combien un transformateur standard est deacute-classeacute pour que les pertes totales dues agrave une charge non lineacuteaire ne deacutepassent pas les pertes preacutevues pour la freacutequence fondamentale lors de la conception du transformateur

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LrsquoAnnexe 2 - Facteur K preacutesente plus en deacutetail le calcul du facteur K

bull Les solutions pour reacuteduire les pertes in-situ

Il nrsquoy a pas de moyens externes permettant de modifier les pertes agrave vide car elles ne sont pas influenceacutees par les charges Par contre deux moyens externes permettent de reacuteduire les pertes suppleacutementaires dues agrave la charge

1 Compensation reacuteactive (batterie de condensateurs)Cette compensation permet drsquooptimiser lrsquoutilisation de la puissance du transformateur et de reacuteduire les pertes agrave 50 Hz2 Filtrage des courants harmoniquesLes pertes srsquoaccroissent avec les courants harmoniques Il existe plusieurs solutions de reacuteduction des courants harmoniques dans les reacuteseaux pollueacutes connaissance et reacuteduction du taux drsquoharmoniques agrave la source utilisation drsquoinductances anti-harmoniques en seacuterie avec les condensateurs de compensation du reacuteactif insertion de filtre passif etou actifs etc

314 Reacutepartition des pertes

On peut reacutesumer la situation des pertes sous la forme du graphique ci-contre

Transfo agrave vide

Transfo en chargeagrave Inominal

(P0 = 10 agrave15 de PDC)

Transfo en chargeagrave 70 sansharmoniques

PWE + PCE + PSE ~ 60 agrave 70 de PDC

PWE + PCE + PSE ~ 10 de PDC

PDC

Augmentation de5 agrave 8 de PDC

Transfo en charge

agrave 70 avecharmoniquesde courants

PDC PDCPDC

P0 P0P0P0

Figure 4 Reacutepartition des pertes

AvecPCC pertes dues agrave la charge au courant assigneacute et agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

P0 pertes agrave vide agrave la tension et agrave la freacutequence assigneacutees

S puissance assigneacutee

α facteur de charge

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

10 11

8 Lrsquoextrait de la norme NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo est reproduit avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets de la norme telle que diffuseacutee par AFNOR Editions ndash accessible via le site internet wwwboutiqueafnororg ndash ont valeur normative

315 Rendement

La norme NF EN 50464-18 indique que le rendement drsquoun transformateur de puissance est donneacute pour toute condition de charge par le rapport entre la puissance de sortie (P2) et la puissance drsquoentreacutee (P1)

η = P2P1

En raison de la difficulteacute agrave deacuteterminer le rendement par des mesures directes il peut ecirctre eacutevalueacute conventionnellement par les pertes garanties ou mesureacutees comme suit

α2 PCC + P0

α S + α2 PCC + P0

η = 100 1- ()( )

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Il est souhaitable que le transformateur soit exploiteacute agrave une charge raisonnable comprise entre 40 et 60 de sa charge nominale mais cela deacutepend aussi drsquoautres paramegravetres (cos ϕ tempeacuterature ambiante cycle de chargehellip)

Si la charge est supeacuterieure agrave 75 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une augmentation de sa puissance

A lrsquoinverse si la charge est infeacuterieure agrave 40 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une reacuteduction de sa puissance

Pertes (W) Rendement ()

Facteur de charge ()0 10 20 30

η

Ptot

Pcc

P0

40 50 60 70 80 90 100

η rendement Ptot pertes totalesPcc pertes en charge P0 pertes agrave vide

Figure 5 Allure de rendement en fonctionde la charge

La courbe typique du rendement drsquoun transforma-teur en fonction de sa charge est la suivante

Elle montre les pertes agrave vide les pertes dues agrave la charge le rendement en fonction de la charge du transformateur

Sur lrsquoexemple de la figure 5 le rendement est maximum pour un facteur de charge de 40

Quelque soit la puissance du transformateur il existe toujours un maximum entre le rendement et le facteur de charge en geacuteneacuteral aux alentours de 40-50 de la charge nominale

Puissance 1000 kVA

Pertes selon NF EN 50464-1

Niveau de pertes D0 Dk C0 Ck B0 Bk A0 Ak

Pertes agrave vide (W) 1400 1100 940 770

Pertes dues agrave la charge (W) 13000 10500 9000 7600

Charge 85 9861 9888 9904 9919

65 9884 9906 9920 9932

50 9898 9918 9930 9941

30 9906 9925 9936 9946

Exemple du rendement selon le niveau de pertes et la valeur de la charge

32 Normes et reacuteglementations applicablesActuellement il nrsquoexiste pas en Europe de reacuteglementation speacutecifique sur lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs de distri-bution De fait lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs est encore peu traiteacutee dans les leacutegislations europeacuteennes et franccedilaises

Drsquoun point de vue normatif diffeacuterents documents sont en vigueur et des certifications existent pour garantir la qualiteacute des transformateurs (ceux concernant en prioriteacute le domaine eacutenergeacutetique sont surligneacutes)

bull NF EN 50464-1 pour les transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-7 guide de charge pour les transformateurs immergeacutes

bull NF EN 50541-1 pour les transformateurs de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-12 guide de charge pour transformateurs de type sec

bull NF EN 60076-1 agrave 60076-5 transformateurs de puissance

bull NF EN 60076-11 transformateurs de puissance de type sec

La directive Eco-Design (dite directive ErP) (2009125EC adopteacutee en 2009) est conccedilue pour ameacuteliorer les performances environnementales et eacutenergeacutetiques sur le cycle de vie des eacutequipements lieacutees agrave lrsquoeacutenergie aussi elle permet drsquointroduire des exigences de performance eacutenergeacutetique

Dans ce cadre une application aux transformateurs de distribution est en cours de preacuteparation Lrsquoeacutetude preacuteparatoire est en consultation sur le site wwwecotransformerorg

Concernant la reacuteglementation sur les PCB se reacutefeacuterer au site du ministegravere wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

12 13

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergieLe dispositif des CEE (Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie) repose sur une obligation drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie imposeacutee aux fournisseurs drsquoeacutenergie (eacutelectriciteacute gaz fioul carburants hellip) Ces entreprises laquo obligeacutees raquo doivent soutenir ou accompagner des investissements ou actions drsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie chez les consommateurs sous peine de peacutenaliteacuteLes fournisseurs drsquoeacutenergie sont en capaciteacute de soutenir ou drsquoaider lrsquoachat drsquoeacutequipements figurant entre autres dans la liste des opeacuterations standardiseacutees par des maicirctres drsquoouvrage (entreprises industrielles ou tertiaire collectiviteacutes) Concregravetement cette aide se neacutegocie en amont de lrsquoinvestissement directement aupregraves des fournisseurs drsquoeacutenergie ou parfois aupregraves des fabricants drsquoeacutequipements

Trois actions standardiseacutees concernent les transformateurs

bull La fiche IN-UT-10 (industrie) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel pour les transformateurs de distribution industriels Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche RES-EL-01 (secteur reacuteseaux) - transformateur agrave haut rendement pour la distribution publique drsquoeacutelectriciteacute Elle concerne la laquo mise en place drsquoun transformateur de distribution publique agrave haut rendement (faibles pertes) triphaseacute immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 50 et 1 000 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie B0 ou A0 pour les pertes agrave vide Ck Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche BAT-EQ-21 (secteur des bacirctiments tertiaires) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes en charge

A noter que drsquoautres fiches sur

les transformateurs sont susceptibles drsquoecirctre ajouteacutees mais il nrsquoexiste pas encore

de fiches speacutecifiques aux transformateurs

de type secs

Estimation des kWh cumac

kWh cumac Pertes agrave vide Pertes en charge Coefficient de pertes en charge Total

2 transformateurs de 1 600 kVA 2 times 123 800 2 times 990 500 06 1 436 2002 transformateurs de 2 000 kVA 2 times 154 800 2 times 1 361 900 06 1 943 8801 transformateur de 2 500 kVA 1 times 179 500 1 times 1 671 500 06 1 182 400Total 736 700 6 376 300 06 4 562 480Pour en savoir plus Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

Extrait de la fiche IND-UT-10 pour calculer les kWh cumac

Pertes agrave vide Pertes en charge Mode de fonctionnement du site

Coefficient de pertes en charge

kVA C0 B0 A0 + Bk Ak x 1 x 8 02250 27 900 35 900 43 300 61 900 111 400 2 x 8 04315 31 000 40 900 50 800 80 500 136 200 3 x 8 avec arrecirct le WE 05400 39 600 50 800 61 900 92 900 167 100 3 x 8 sans arrecirct le WE 06500 47 000 60 700 73 000 111 400 198 100630 54 500 70 600 86 700 136 200 235 200800 27 200 43 300 61 900 433 300 557 200

1 000 37 100 57 000 78 000 495 300 668 6001250 49 500 74 300 99 100 619 100 804 8001 600 61 900 92 900 123 800 742 900 990 5002 000 74 300 111 400 154 800 990 500 1 361 9002 500 86 700 130 000 179 500 1 238 100 1 671 500

Exemple Une entreprise industrielle peut valoriser le remplacement de ses vieux transformateurs eacutenergivores par des transformateurs agrave pertes reacuteduitesLrsquoindustriel exploite 5 transformateurs deux de 1 600 kVA deux de 2 000 kVA et un de 2 500 kVA en 3x8 y compris le week-end Dans le cas de leur remplacement par des transformateurs de type A0Ak et selon la fiche IND-UT-10 cela correspond agrave 45 GWh cumac

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4 Le coucirct des pertes

41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14

411 Coucirct annuel des pertes 14

412 Coucirct global des transformateurs 15

413 La charge des transformateurs

profil de charge et pic de charge 15

42 Exemple 16

Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie

Exemple de charge pondeacutereacutee sur une journeacutee sur un site industriel

150

03

1

065

085

05

085

03

390 720 810 1320 1440Minutes

Fact

eur

de c

harg

e

Facteur de charge pondeacutereacutee 0724

K 2H x tsumt = 1440

t = 01440

41 Preacutesentation geacuteneacuterale

411 Coucirct annuel des pertes

Les pertes annuelles drsquoun transformateur peuvent ecirctre eacutevalueacutees selon la formule suivante

WPertes = (P0 + Pk times Ksup2 ) times 8760

Ougrave

WPertes montant des pertes annuelles en kWh

P0 pertes agrave vide en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

Pk pertes en charge en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

K facteur de charge pondeacutereacutee sur lrsquoanneacutee

8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)

Un exemple de calcul du facteur de charge pondeacutereacutee est donneacute ci-apregraves

Sur un jour (1440 minutes) le facteur de charge pondeacutereacutee est eacutegal agrave

Soit aussi

(032 x 150 + 0652 x 240 + 0852 x 330 + 052 x 90 + 0852 x 510 + 032 x 120) 1440

La charge pondeacutereacutee journaliegravere est alors de 0724

Charge pondeacutereacutee annuelle =

Pour eacutevaluer le coucirct des pertes durant la vie du transformateur il doit ecirctre actualiseacute en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le temps9

Ce calcul est appeleacute le laquo Coucirct Total Actualiseacute des pertes raquo Il est deacutefini par la formule suivante

Ougrave

C eacutevaluation du coucirct moyen par kWh par an

WPertes pertes annuelles

i taux drsquoactualisation

n dureacutee de vie espeacutereacutee du transformateur (en anneacutees)

K 2j x JsumJ = 365

J = 1365

CTApertes = C x WPertes x (1 + i)n - 1i x ( + i)n

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412 Coucirct global des transformateurs

Pour eacutevaluer eacuteconomiquement lrsquoachat drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie comme pour les pertes les coucircts drsquoachat drsquoexploitation et de maintenance doivent ecirctre compareacutes en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le tempsCertaines simplifications peuvent ecirctre retenues bien que chaque transformateur ait son propre coucirct drsquoachat et ses propres pertes les autres coucircts ceux drsquoinstallation de maintenance et drsquoeacutelimination en fin de vie sont sensiblement les mecircmes pour tous les types de transformateur de puissance identique et ils peuvent ne pas ecirctre pris en compte

Le calcul du coucirct global peut ecirctre calculeacute selon la formule suivante

CTO = PP + A times P0 + B times Pk

Lrsquoeacutevaluation des facteurs A et B est deacutelicate puisqursquoelle deacutepend de lrsquoeacutevolution du reacutegime de charge du transformateur du coucirct de lrsquoeacutenergie du taux drsquoactualisation et aussi de la dureacutee de vie eacuteconomique preacutevueIl faut aussi tenir compte de lrsquoeacutevolution de la charge et du prix de lrsquoeacutenergie durant la vie du transformateurTypiquement la fourchette de prix pour A se situe entre 6 et 10 euroW et pour B entre 1 et 4 euroWUne meacutethode relativement simple est proposeacutee ci-dessous permettant de deacuteterminer les facteurs A et B pour les transformateurs de distribution

A et B sont calculeacutes comme suit (pertes agrave vide actualiseacutees)

Ces formules reposent sur lrsquohypothegravese que le coucirct de lrsquoeacutenergie et le niveau de charge sont constants tout au long de la dureacutee de vie du transformateur

413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge

Les conditions de charge des transformateurs sont probablement le facteur le plus important agrave consideacuterer pour seacutelectionner de faccedilon optimale des transformateurs selon le niveau de pertesDe maniegravere geacuteneacuterale pour les transformateurs tregraves fortement chargeacutes lrsquoattention doit se porter sur les pertes dues agrave la charge et pour ceux agrave faible charge sur les pertes agrave videLes transformateurs dans le secteur industriel de lrsquoUE-27 ont une charge moyenne de 40 environ et un pic de charge de 70 10 En comparaison la charge moyenne des transformateurs chez les distributeurs drsquoeacutenergie eacutelectrique dans lrsquoUE-27 est drsquoenviron 20 et le pic de charge est de 55 environ

9 Le concept du laquo coucirct de lrsquoargent raquo signifie qursquoune somme drsquoargent disponible immeacutediatement a une valeur plus importante que la mecircme somme disponible plus tard10 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

14 15

(1 + i)n - 1i x (1 + i)nA = CkWh x 8760 x

(1 + i)n - 1i x ( 1 + i)nB = CkWh x 8760 x k2 x

Ougrave

i taux drsquoactualisation ( an)n dureacutee de vie (en anneacutee)C kWh prix du kWh (eurokWh) 8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)k facteur de charge pondeacutereacute sur lrsquoanneacutee

OugravePP coucirct drsquoachat du transformateurA coucirct des pertes agrave vide (exprimeacute en euroW)P0 total des pertes agrave vide garanties B coucirct des pertes dues agrave la charge (exprimeacute en euroW)Pk pertes dues agrave la charge garanties

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42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 10: Ademe Transfo WEB

312 Pertes dues agrave la charge (Pk)Elles sont composeacutees des

1 Pertes Joule dans les conducteurs des enroulements primaires et secondaires (PDC )4

2 Pertes parasites par courants de Foucault dans les enroulements (PWE )5

3 Pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions (PCE )6 pertes parasites dans les parties structurelles

meacutetalliques (PSE)7

Toutes les pertes sont variables car elles sont proportionnelles au carreacute du courant traversant les enroulements

Ces pertes sont lieacutees au fondamental du courant ainsi qursquoaux courants harmoniques dont il faut connaicirctre le spectre et lrsquoamplitude des composantes car ces courants harmoniques vont accroicirctre les pertes dues agrave la charge

Les pertes JouleCes pertes apparaissent dans les enroulements du transformateur et sont causeacutees par la reacutesistance du conducteur Leur amplitude varie en fonction du carreacute du courant de charge et est proportionnelle agrave la reacutesistance du bobinage Elles peuvent ecirctre reacuteduites en augmentant la section du conducteur

Les pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements Le courant alternatif lieacute au fonctionnement du transformateur et parcourant le conducteur constituant les enroulements engendre un champ magneacutetique Ce champ va ecirctre agrave lrsquoorigine de courants induits appeleacutes courants de Foucault se superposant au courant de fonctionnement et provoquant des pertes ohmiques suppleacutementaires eacutegalement appeleacutes pertes parasites par courant de Foucault dans les enroulements (P

WE)

Les pertes parasites par courants de Foucault dans les connexions et dans les parties structurelles meacutetalliquesUn conducteur parcouru par un courant alternatif va creacuteer un champ drsquoinduction variable geacuteneacuterant un courant induit dans les parties meacutetalliques constituant la structure du transformateur et produire des pertes suppleacutementaires ces pertes sont appeleacutees pertes parasites par courant de Foucault dans les parties structurelles meacutetalliques (PSE) et dans les connexions agrave fort courant (PCE)

Les pertes dues agrave la charge repreacutesentent en moyenne de 07 agrave 1 de la puissance nominale assigneacutee (agrave 100 de la charge)

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

8 9

3 Pheacutenomegravene deacutecouvert par le physicien franccedilais Leacuteon Foucault en 18514 P

DC Direct Current Loss

5 PWE

Winding Eddy Loss6 P

CE Connection Eddy loss

7 PSE Structural Stray Loss

ALS

MTO

M

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10010806

Rendement η ()

Cos ϕ

Facteur de charge ()

50

0

Figure 2 Scheacutema eacutequivalent des puissances

P

ϕ2

ϕ1

S2

Q2

Q1

S1

Q

Puissance utile neacutecessaire

Puissance apparente nominaledu transformateur

Consommation excessive de puissance reacuteactive Puissance du transformateur insuffisante

Figure 3 Allure du rendement pour diffeacuterents facteurs de charge et diffeacuterents cos ϕ 313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux

harmoniques et agrave la puissance reacuteactive

Ces pertes ont pour origine la puissance reacuteactive et les courants harmoniques

bull Sur la puissance reacuteactive

Comme le montre la figure ci-dessus on distingue trois puissances

bull la puissance apparente S (exprimeacutee en VA) celle appeleacutee par le transformateur sur le reacuteseau

Sa valeur est S = U x I x radic 3

bull la puissance active P (exprimeacutee en W) celle qui produit un travail utile consommeacute par lrsquoinstallation Pour caracteacuteriser la quantiteacute de puissance active dis-ponible on utilise la notion de facteur de puissance qui est eacutegal agrave PS et agrave cos ϕ La valeur de la puissance active est

P = U x I x radic 3 x cos ϕ

bull la puissance reacuteactive Q (exprimeacutee en VAR) qui est neacutecessaire pour magneacutetiser les circuits des charges tels les moteurs

Sa valeur est Q = U x I x radic 3 x sin ϕ

La puissance apparente est deacutefinie par la relation

S = radicP2 + Q2

La figure 2 preacutesente le scheacutema eacutequivalent des puis-sances et une consommation excessive de puissance reacuteactive due agrave un mauvais cos ϕ de lrsquoinstallation Pour une puissance active donneacutee plus la puissance reacuteactive sera importante et plus le transformateur sera chargeacute et srsquoeacutechauffera (entraicircnant une diminution de sa dureacutee de vie) Car crsquoest la valeur de la puissance apparente qui fixe la limite de puissance du transformateur

Drsquoautre part le rendement du transformateur varie avec le cos ϕ (voir figure 3)

Il est donc important de diminuer la puissance reacuteactive consommeacutee

bull Les courants harmoniquesLes courants harmoniques sont des courants dont la freacutequence est un multiple de la freacutequence principale provoqueacutes par les charges non lineacuteaires du reacuteseau (comme les ordinateurs certains variateurs de vitessehellip) Ils ont des reacutepercussions potentiellement dommageables pour les transformateurs non seulement ils augmentent les pertes en charge de faccedilon plus que proportionnelle agrave lrsquoaugmentation de la charge mais aussi la tempeacuterature des enroulements et de la structure meacutetallique du transformateur reacuteduisant ainsi la dureacutee de vie du transformateur

Les pertes geacuteneacutereacutees par les courants de Foucault deacutependent du carreacute de la freacutequence aussi la preacutesence drsquoharmoniques multiples de la freacutequence fondamentale de 50 Hz provoque des pertes suppleacutementaires dans les enroulements et les parties structurelles meacutetalliques

bull Le facteur K

Les courants harmoniques augmentent la valeur du courant efficace non seulement cela constitue deacutejagrave un facteur drsquoaccroissement des pertes mais en plus la freacutequence des composantes harmoniques accentue cet accroissement

Il y a deux approches pour eacutevaluer lrsquoeffet des courants harmoniques sur les pertes

bull Le facteur Kbull Le calcul des pertes qui neacutecessite la connaissance

preacutecise des caracteacuteristiques du transformateur utiliseacute

Le facteur K ou facteur de deacuteclassement est le plus souvent utiliseacute car il est simple agrave calculer et agrave exploiterIl permet drsquoestimer le taux du deacuteclassement du trans-formateur en calculant lrsquoinfluence des courants har-moniques sur la charge du transformateur On estime ainsi de combien un transformateur standard est deacute-classeacute pour que les pertes totales dues agrave une charge non lineacuteaire ne deacutepassent pas les pertes preacutevues pour la freacutequence fondamentale lors de la conception du transformateur

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LrsquoAnnexe 2 - Facteur K preacutesente plus en deacutetail le calcul du facteur K

bull Les solutions pour reacuteduire les pertes in-situ

Il nrsquoy a pas de moyens externes permettant de modifier les pertes agrave vide car elles ne sont pas influenceacutees par les charges Par contre deux moyens externes permettent de reacuteduire les pertes suppleacutementaires dues agrave la charge

1 Compensation reacuteactive (batterie de condensateurs)Cette compensation permet drsquooptimiser lrsquoutilisation de la puissance du transformateur et de reacuteduire les pertes agrave 50 Hz2 Filtrage des courants harmoniquesLes pertes srsquoaccroissent avec les courants harmoniques Il existe plusieurs solutions de reacuteduction des courants harmoniques dans les reacuteseaux pollueacutes connaissance et reacuteduction du taux drsquoharmoniques agrave la source utilisation drsquoinductances anti-harmoniques en seacuterie avec les condensateurs de compensation du reacuteactif insertion de filtre passif etou actifs etc

314 Reacutepartition des pertes

On peut reacutesumer la situation des pertes sous la forme du graphique ci-contre

Transfo agrave vide

Transfo en chargeagrave Inominal

(P0 = 10 agrave15 de PDC)

Transfo en chargeagrave 70 sansharmoniques

PWE + PCE + PSE ~ 60 agrave 70 de PDC

PWE + PCE + PSE ~ 10 de PDC

PDC

Augmentation de5 agrave 8 de PDC

Transfo en charge

agrave 70 avecharmoniquesde courants

PDC PDCPDC

P0 P0P0P0

Figure 4 Reacutepartition des pertes

AvecPCC pertes dues agrave la charge au courant assigneacute et agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

P0 pertes agrave vide agrave la tension et agrave la freacutequence assigneacutees

S puissance assigneacutee

α facteur de charge

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

10 11

8 Lrsquoextrait de la norme NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo est reproduit avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets de la norme telle que diffuseacutee par AFNOR Editions ndash accessible via le site internet wwwboutiqueafnororg ndash ont valeur normative

315 Rendement

La norme NF EN 50464-18 indique que le rendement drsquoun transformateur de puissance est donneacute pour toute condition de charge par le rapport entre la puissance de sortie (P2) et la puissance drsquoentreacutee (P1)

η = P2P1

En raison de la difficulteacute agrave deacuteterminer le rendement par des mesures directes il peut ecirctre eacutevalueacute conventionnellement par les pertes garanties ou mesureacutees comme suit

α2 PCC + P0

α S + α2 PCC + P0

η = 100 1- ()( )

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Il est souhaitable que le transformateur soit exploiteacute agrave une charge raisonnable comprise entre 40 et 60 de sa charge nominale mais cela deacutepend aussi drsquoautres paramegravetres (cos ϕ tempeacuterature ambiante cycle de chargehellip)

Si la charge est supeacuterieure agrave 75 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une augmentation de sa puissance

A lrsquoinverse si la charge est infeacuterieure agrave 40 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une reacuteduction de sa puissance

Pertes (W) Rendement ()

Facteur de charge ()0 10 20 30

η

Ptot

Pcc

P0

40 50 60 70 80 90 100

η rendement Ptot pertes totalesPcc pertes en charge P0 pertes agrave vide

Figure 5 Allure de rendement en fonctionde la charge

La courbe typique du rendement drsquoun transforma-teur en fonction de sa charge est la suivante

Elle montre les pertes agrave vide les pertes dues agrave la charge le rendement en fonction de la charge du transformateur

Sur lrsquoexemple de la figure 5 le rendement est maximum pour un facteur de charge de 40

Quelque soit la puissance du transformateur il existe toujours un maximum entre le rendement et le facteur de charge en geacuteneacuteral aux alentours de 40-50 de la charge nominale

Puissance 1000 kVA

Pertes selon NF EN 50464-1

Niveau de pertes D0 Dk C0 Ck B0 Bk A0 Ak

Pertes agrave vide (W) 1400 1100 940 770

Pertes dues agrave la charge (W) 13000 10500 9000 7600

Charge 85 9861 9888 9904 9919

65 9884 9906 9920 9932

50 9898 9918 9930 9941

30 9906 9925 9936 9946

Exemple du rendement selon le niveau de pertes et la valeur de la charge

32 Normes et reacuteglementations applicablesActuellement il nrsquoexiste pas en Europe de reacuteglementation speacutecifique sur lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs de distri-bution De fait lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs est encore peu traiteacutee dans les leacutegislations europeacuteennes et franccedilaises

Drsquoun point de vue normatif diffeacuterents documents sont en vigueur et des certifications existent pour garantir la qualiteacute des transformateurs (ceux concernant en prioriteacute le domaine eacutenergeacutetique sont surligneacutes)

bull NF EN 50464-1 pour les transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-7 guide de charge pour les transformateurs immergeacutes

bull NF EN 50541-1 pour les transformateurs de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-12 guide de charge pour transformateurs de type sec

bull NF EN 60076-1 agrave 60076-5 transformateurs de puissance

bull NF EN 60076-11 transformateurs de puissance de type sec

La directive Eco-Design (dite directive ErP) (2009125EC adopteacutee en 2009) est conccedilue pour ameacuteliorer les performances environnementales et eacutenergeacutetiques sur le cycle de vie des eacutequipements lieacutees agrave lrsquoeacutenergie aussi elle permet drsquointroduire des exigences de performance eacutenergeacutetique

Dans ce cadre une application aux transformateurs de distribution est en cours de preacuteparation Lrsquoeacutetude preacuteparatoire est en consultation sur le site wwwecotransformerorg

Concernant la reacuteglementation sur les PCB se reacutefeacuterer au site du ministegravere wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

12 13

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergieLe dispositif des CEE (Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie) repose sur une obligation drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie imposeacutee aux fournisseurs drsquoeacutenergie (eacutelectriciteacute gaz fioul carburants hellip) Ces entreprises laquo obligeacutees raquo doivent soutenir ou accompagner des investissements ou actions drsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie chez les consommateurs sous peine de peacutenaliteacuteLes fournisseurs drsquoeacutenergie sont en capaciteacute de soutenir ou drsquoaider lrsquoachat drsquoeacutequipements figurant entre autres dans la liste des opeacuterations standardiseacutees par des maicirctres drsquoouvrage (entreprises industrielles ou tertiaire collectiviteacutes) Concregravetement cette aide se neacutegocie en amont de lrsquoinvestissement directement aupregraves des fournisseurs drsquoeacutenergie ou parfois aupregraves des fabricants drsquoeacutequipements

Trois actions standardiseacutees concernent les transformateurs

bull La fiche IN-UT-10 (industrie) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel pour les transformateurs de distribution industriels Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche RES-EL-01 (secteur reacuteseaux) - transformateur agrave haut rendement pour la distribution publique drsquoeacutelectriciteacute Elle concerne la laquo mise en place drsquoun transformateur de distribution publique agrave haut rendement (faibles pertes) triphaseacute immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 50 et 1 000 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie B0 ou A0 pour les pertes agrave vide Ck Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche BAT-EQ-21 (secteur des bacirctiments tertiaires) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes en charge

A noter que drsquoautres fiches sur

les transformateurs sont susceptibles drsquoecirctre ajouteacutees mais il nrsquoexiste pas encore

de fiches speacutecifiques aux transformateurs

de type secs

Estimation des kWh cumac

kWh cumac Pertes agrave vide Pertes en charge Coefficient de pertes en charge Total

2 transformateurs de 1 600 kVA 2 times 123 800 2 times 990 500 06 1 436 2002 transformateurs de 2 000 kVA 2 times 154 800 2 times 1 361 900 06 1 943 8801 transformateur de 2 500 kVA 1 times 179 500 1 times 1 671 500 06 1 182 400Total 736 700 6 376 300 06 4 562 480Pour en savoir plus Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

Extrait de la fiche IND-UT-10 pour calculer les kWh cumac

Pertes agrave vide Pertes en charge Mode de fonctionnement du site

Coefficient de pertes en charge

kVA C0 B0 A0 + Bk Ak x 1 x 8 02250 27 900 35 900 43 300 61 900 111 400 2 x 8 04315 31 000 40 900 50 800 80 500 136 200 3 x 8 avec arrecirct le WE 05400 39 600 50 800 61 900 92 900 167 100 3 x 8 sans arrecirct le WE 06500 47 000 60 700 73 000 111 400 198 100630 54 500 70 600 86 700 136 200 235 200800 27 200 43 300 61 900 433 300 557 200

1 000 37 100 57 000 78 000 495 300 668 6001250 49 500 74 300 99 100 619 100 804 8001 600 61 900 92 900 123 800 742 900 990 5002 000 74 300 111 400 154 800 990 500 1 361 9002 500 86 700 130 000 179 500 1 238 100 1 671 500

Exemple Une entreprise industrielle peut valoriser le remplacement de ses vieux transformateurs eacutenergivores par des transformateurs agrave pertes reacuteduitesLrsquoindustriel exploite 5 transformateurs deux de 1 600 kVA deux de 2 000 kVA et un de 2 500 kVA en 3x8 y compris le week-end Dans le cas de leur remplacement par des transformateurs de type A0Ak et selon la fiche IND-UT-10 cela correspond agrave 45 GWh cumac

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4 Le coucirct des pertes

41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14

411 Coucirct annuel des pertes 14

412 Coucirct global des transformateurs 15

413 La charge des transformateurs

profil de charge et pic de charge 15

42 Exemple 16

Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie

Exemple de charge pondeacutereacutee sur une journeacutee sur un site industriel

150

03

1

065

085

05

085

03

390 720 810 1320 1440Minutes

Fact

eur

de c

harg

e

Facteur de charge pondeacutereacutee 0724

K 2H x tsumt = 1440

t = 01440

41 Preacutesentation geacuteneacuterale

411 Coucirct annuel des pertes

Les pertes annuelles drsquoun transformateur peuvent ecirctre eacutevalueacutees selon la formule suivante

WPertes = (P0 + Pk times Ksup2 ) times 8760

Ougrave

WPertes montant des pertes annuelles en kWh

P0 pertes agrave vide en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

Pk pertes en charge en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

K facteur de charge pondeacutereacutee sur lrsquoanneacutee

8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)

Un exemple de calcul du facteur de charge pondeacutereacutee est donneacute ci-apregraves

Sur un jour (1440 minutes) le facteur de charge pondeacutereacutee est eacutegal agrave

Soit aussi

(032 x 150 + 0652 x 240 + 0852 x 330 + 052 x 90 + 0852 x 510 + 032 x 120) 1440

La charge pondeacutereacutee journaliegravere est alors de 0724

Charge pondeacutereacutee annuelle =

Pour eacutevaluer le coucirct des pertes durant la vie du transformateur il doit ecirctre actualiseacute en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le temps9

Ce calcul est appeleacute le laquo Coucirct Total Actualiseacute des pertes raquo Il est deacutefini par la formule suivante

Ougrave

C eacutevaluation du coucirct moyen par kWh par an

WPertes pertes annuelles

i taux drsquoactualisation

n dureacutee de vie espeacutereacutee du transformateur (en anneacutees)

K 2j x JsumJ = 365

J = 1365

CTApertes = C x WPertes x (1 + i)n - 1i x ( + i)n

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412 Coucirct global des transformateurs

Pour eacutevaluer eacuteconomiquement lrsquoachat drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie comme pour les pertes les coucircts drsquoachat drsquoexploitation et de maintenance doivent ecirctre compareacutes en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le tempsCertaines simplifications peuvent ecirctre retenues bien que chaque transformateur ait son propre coucirct drsquoachat et ses propres pertes les autres coucircts ceux drsquoinstallation de maintenance et drsquoeacutelimination en fin de vie sont sensiblement les mecircmes pour tous les types de transformateur de puissance identique et ils peuvent ne pas ecirctre pris en compte

Le calcul du coucirct global peut ecirctre calculeacute selon la formule suivante

CTO = PP + A times P0 + B times Pk

Lrsquoeacutevaluation des facteurs A et B est deacutelicate puisqursquoelle deacutepend de lrsquoeacutevolution du reacutegime de charge du transformateur du coucirct de lrsquoeacutenergie du taux drsquoactualisation et aussi de la dureacutee de vie eacuteconomique preacutevueIl faut aussi tenir compte de lrsquoeacutevolution de la charge et du prix de lrsquoeacutenergie durant la vie du transformateurTypiquement la fourchette de prix pour A se situe entre 6 et 10 euroW et pour B entre 1 et 4 euroWUne meacutethode relativement simple est proposeacutee ci-dessous permettant de deacuteterminer les facteurs A et B pour les transformateurs de distribution

A et B sont calculeacutes comme suit (pertes agrave vide actualiseacutees)

Ces formules reposent sur lrsquohypothegravese que le coucirct de lrsquoeacutenergie et le niveau de charge sont constants tout au long de la dureacutee de vie du transformateur

413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge

Les conditions de charge des transformateurs sont probablement le facteur le plus important agrave consideacuterer pour seacutelectionner de faccedilon optimale des transformateurs selon le niveau de pertesDe maniegravere geacuteneacuterale pour les transformateurs tregraves fortement chargeacutes lrsquoattention doit se porter sur les pertes dues agrave la charge et pour ceux agrave faible charge sur les pertes agrave videLes transformateurs dans le secteur industriel de lrsquoUE-27 ont une charge moyenne de 40 environ et un pic de charge de 70 10 En comparaison la charge moyenne des transformateurs chez les distributeurs drsquoeacutenergie eacutelectrique dans lrsquoUE-27 est drsquoenviron 20 et le pic de charge est de 55 environ

9 Le concept du laquo coucirct de lrsquoargent raquo signifie qursquoune somme drsquoargent disponible immeacutediatement a une valeur plus importante que la mecircme somme disponible plus tard10 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

14 15

(1 + i)n - 1i x (1 + i)nA = CkWh x 8760 x

(1 + i)n - 1i x ( 1 + i)nB = CkWh x 8760 x k2 x

Ougrave

i taux drsquoactualisation ( an)n dureacutee de vie (en anneacutee)C kWh prix du kWh (eurokWh) 8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)k facteur de charge pondeacutereacute sur lrsquoanneacutee

OugravePP coucirct drsquoachat du transformateurA coucirct des pertes agrave vide (exprimeacute en euroW)P0 total des pertes agrave vide garanties B coucirct des pertes dues agrave la charge (exprimeacute en euroW)Pk pertes dues agrave la charge garanties

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42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 11: Ademe Transfo WEB

10010806

Rendement η ()

Cos ϕ

Facteur de charge ()

50

0

Figure 2 Scheacutema eacutequivalent des puissances

P

ϕ2

ϕ1

S2

Q2

Q1

S1

Q

Puissance utile neacutecessaire

Puissance apparente nominaledu transformateur

Consommation excessive de puissance reacuteactive Puissance du transformateur insuffisante

Figure 3 Allure du rendement pour diffeacuterents facteurs de charge et diffeacuterents cos ϕ 313 Pertes dues agrave la charge lieacutees aux

harmoniques et agrave la puissance reacuteactive

Ces pertes ont pour origine la puissance reacuteactive et les courants harmoniques

bull Sur la puissance reacuteactive

Comme le montre la figure ci-dessus on distingue trois puissances

bull la puissance apparente S (exprimeacutee en VA) celle appeleacutee par le transformateur sur le reacuteseau

Sa valeur est S = U x I x radic 3

bull la puissance active P (exprimeacutee en W) celle qui produit un travail utile consommeacute par lrsquoinstallation Pour caracteacuteriser la quantiteacute de puissance active dis-ponible on utilise la notion de facteur de puissance qui est eacutegal agrave PS et agrave cos ϕ La valeur de la puissance active est

P = U x I x radic 3 x cos ϕ

bull la puissance reacuteactive Q (exprimeacutee en VAR) qui est neacutecessaire pour magneacutetiser les circuits des charges tels les moteurs

Sa valeur est Q = U x I x radic 3 x sin ϕ

La puissance apparente est deacutefinie par la relation

S = radicP2 + Q2

La figure 2 preacutesente le scheacutema eacutequivalent des puis-sances et une consommation excessive de puissance reacuteactive due agrave un mauvais cos ϕ de lrsquoinstallation Pour une puissance active donneacutee plus la puissance reacuteactive sera importante et plus le transformateur sera chargeacute et srsquoeacutechauffera (entraicircnant une diminution de sa dureacutee de vie) Car crsquoest la valeur de la puissance apparente qui fixe la limite de puissance du transformateur

Drsquoautre part le rendement du transformateur varie avec le cos ϕ (voir figure 3)

Il est donc important de diminuer la puissance reacuteactive consommeacutee

bull Les courants harmoniquesLes courants harmoniques sont des courants dont la freacutequence est un multiple de la freacutequence principale provoqueacutes par les charges non lineacuteaires du reacuteseau (comme les ordinateurs certains variateurs de vitessehellip) Ils ont des reacutepercussions potentiellement dommageables pour les transformateurs non seulement ils augmentent les pertes en charge de faccedilon plus que proportionnelle agrave lrsquoaugmentation de la charge mais aussi la tempeacuterature des enroulements et de la structure meacutetallique du transformateur reacuteduisant ainsi la dureacutee de vie du transformateur

Les pertes geacuteneacutereacutees par les courants de Foucault deacutependent du carreacute de la freacutequence aussi la preacutesence drsquoharmoniques multiples de la freacutequence fondamentale de 50 Hz provoque des pertes suppleacutementaires dans les enroulements et les parties structurelles meacutetalliques

bull Le facteur K

Les courants harmoniques augmentent la valeur du courant efficace non seulement cela constitue deacutejagrave un facteur drsquoaccroissement des pertes mais en plus la freacutequence des composantes harmoniques accentue cet accroissement

Il y a deux approches pour eacutevaluer lrsquoeffet des courants harmoniques sur les pertes

bull Le facteur Kbull Le calcul des pertes qui neacutecessite la connaissance

preacutecise des caracteacuteristiques du transformateur utiliseacute

Le facteur K ou facteur de deacuteclassement est le plus souvent utiliseacute car il est simple agrave calculer et agrave exploiterIl permet drsquoestimer le taux du deacuteclassement du trans-formateur en calculant lrsquoinfluence des courants har-moniques sur la charge du transformateur On estime ainsi de combien un transformateur standard est deacute-classeacute pour que les pertes totales dues agrave une charge non lineacuteaire ne deacutepassent pas les pertes preacutevues pour la freacutequence fondamentale lors de la conception du transformateur

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LrsquoAnnexe 2 - Facteur K preacutesente plus en deacutetail le calcul du facteur K

bull Les solutions pour reacuteduire les pertes in-situ

Il nrsquoy a pas de moyens externes permettant de modifier les pertes agrave vide car elles ne sont pas influenceacutees par les charges Par contre deux moyens externes permettent de reacuteduire les pertes suppleacutementaires dues agrave la charge

1 Compensation reacuteactive (batterie de condensateurs)Cette compensation permet drsquooptimiser lrsquoutilisation de la puissance du transformateur et de reacuteduire les pertes agrave 50 Hz2 Filtrage des courants harmoniquesLes pertes srsquoaccroissent avec les courants harmoniques Il existe plusieurs solutions de reacuteduction des courants harmoniques dans les reacuteseaux pollueacutes connaissance et reacuteduction du taux drsquoharmoniques agrave la source utilisation drsquoinductances anti-harmoniques en seacuterie avec les condensateurs de compensation du reacuteactif insertion de filtre passif etou actifs etc

314 Reacutepartition des pertes

On peut reacutesumer la situation des pertes sous la forme du graphique ci-contre

Transfo agrave vide

Transfo en chargeagrave Inominal

(P0 = 10 agrave15 de PDC)

Transfo en chargeagrave 70 sansharmoniques

PWE + PCE + PSE ~ 60 agrave 70 de PDC

PWE + PCE + PSE ~ 10 de PDC

PDC

Augmentation de5 agrave 8 de PDC

Transfo en charge

agrave 70 avecharmoniquesde courants

PDC PDCPDC

P0 P0P0P0

Figure 4 Reacutepartition des pertes

AvecPCC pertes dues agrave la charge au courant assigneacute et agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

P0 pertes agrave vide agrave la tension et agrave la freacutequence assigneacutees

S puissance assigneacutee

α facteur de charge

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

10 11

8 Lrsquoextrait de la norme NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo est reproduit avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets de la norme telle que diffuseacutee par AFNOR Editions ndash accessible via le site internet wwwboutiqueafnororg ndash ont valeur normative

315 Rendement

La norme NF EN 50464-18 indique que le rendement drsquoun transformateur de puissance est donneacute pour toute condition de charge par le rapport entre la puissance de sortie (P2) et la puissance drsquoentreacutee (P1)

η = P2P1

En raison de la difficulteacute agrave deacuteterminer le rendement par des mesures directes il peut ecirctre eacutevalueacute conventionnellement par les pertes garanties ou mesureacutees comme suit

α2 PCC + P0

α S + α2 PCC + P0

η = 100 1- ()( )

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Il est souhaitable que le transformateur soit exploiteacute agrave une charge raisonnable comprise entre 40 et 60 de sa charge nominale mais cela deacutepend aussi drsquoautres paramegravetres (cos ϕ tempeacuterature ambiante cycle de chargehellip)

Si la charge est supeacuterieure agrave 75 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une augmentation de sa puissance

A lrsquoinverse si la charge est infeacuterieure agrave 40 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une reacuteduction de sa puissance

Pertes (W) Rendement ()

Facteur de charge ()0 10 20 30

η

Ptot

Pcc

P0

40 50 60 70 80 90 100

η rendement Ptot pertes totalesPcc pertes en charge P0 pertes agrave vide

Figure 5 Allure de rendement en fonctionde la charge

La courbe typique du rendement drsquoun transforma-teur en fonction de sa charge est la suivante

Elle montre les pertes agrave vide les pertes dues agrave la charge le rendement en fonction de la charge du transformateur

Sur lrsquoexemple de la figure 5 le rendement est maximum pour un facteur de charge de 40

Quelque soit la puissance du transformateur il existe toujours un maximum entre le rendement et le facteur de charge en geacuteneacuteral aux alentours de 40-50 de la charge nominale

Puissance 1000 kVA

Pertes selon NF EN 50464-1

Niveau de pertes D0 Dk C0 Ck B0 Bk A0 Ak

Pertes agrave vide (W) 1400 1100 940 770

Pertes dues agrave la charge (W) 13000 10500 9000 7600

Charge 85 9861 9888 9904 9919

65 9884 9906 9920 9932

50 9898 9918 9930 9941

30 9906 9925 9936 9946

Exemple du rendement selon le niveau de pertes et la valeur de la charge

32 Normes et reacuteglementations applicablesActuellement il nrsquoexiste pas en Europe de reacuteglementation speacutecifique sur lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs de distri-bution De fait lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs est encore peu traiteacutee dans les leacutegislations europeacuteennes et franccedilaises

Drsquoun point de vue normatif diffeacuterents documents sont en vigueur et des certifications existent pour garantir la qualiteacute des transformateurs (ceux concernant en prioriteacute le domaine eacutenergeacutetique sont surligneacutes)

bull NF EN 50464-1 pour les transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-7 guide de charge pour les transformateurs immergeacutes

bull NF EN 50541-1 pour les transformateurs de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-12 guide de charge pour transformateurs de type sec

bull NF EN 60076-1 agrave 60076-5 transformateurs de puissance

bull NF EN 60076-11 transformateurs de puissance de type sec

La directive Eco-Design (dite directive ErP) (2009125EC adopteacutee en 2009) est conccedilue pour ameacuteliorer les performances environnementales et eacutenergeacutetiques sur le cycle de vie des eacutequipements lieacutees agrave lrsquoeacutenergie aussi elle permet drsquointroduire des exigences de performance eacutenergeacutetique

Dans ce cadre une application aux transformateurs de distribution est en cours de preacuteparation Lrsquoeacutetude preacuteparatoire est en consultation sur le site wwwecotransformerorg

Concernant la reacuteglementation sur les PCB se reacutefeacuterer au site du ministegravere wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

12 13

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergieLe dispositif des CEE (Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie) repose sur une obligation drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie imposeacutee aux fournisseurs drsquoeacutenergie (eacutelectriciteacute gaz fioul carburants hellip) Ces entreprises laquo obligeacutees raquo doivent soutenir ou accompagner des investissements ou actions drsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie chez les consommateurs sous peine de peacutenaliteacuteLes fournisseurs drsquoeacutenergie sont en capaciteacute de soutenir ou drsquoaider lrsquoachat drsquoeacutequipements figurant entre autres dans la liste des opeacuterations standardiseacutees par des maicirctres drsquoouvrage (entreprises industrielles ou tertiaire collectiviteacutes) Concregravetement cette aide se neacutegocie en amont de lrsquoinvestissement directement aupregraves des fournisseurs drsquoeacutenergie ou parfois aupregraves des fabricants drsquoeacutequipements

Trois actions standardiseacutees concernent les transformateurs

bull La fiche IN-UT-10 (industrie) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel pour les transformateurs de distribution industriels Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche RES-EL-01 (secteur reacuteseaux) - transformateur agrave haut rendement pour la distribution publique drsquoeacutelectriciteacute Elle concerne la laquo mise en place drsquoun transformateur de distribution publique agrave haut rendement (faibles pertes) triphaseacute immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 50 et 1 000 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie B0 ou A0 pour les pertes agrave vide Ck Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche BAT-EQ-21 (secteur des bacirctiments tertiaires) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes en charge

A noter que drsquoautres fiches sur

les transformateurs sont susceptibles drsquoecirctre ajouteacutees mais il nrsquoexiste pas encore

de fiches speacutecifiques aux transformateurs

de type secs

Estimation des kWh cumac

kWh cumac Pertes agrave vide Pertes en charge Coefficient de pertes en charge Total

2 transformateurs de 1 600 kVA 2 times 123 800 2 times 990 500 06 1 436 2002 transformateurs de 2 000 kVA 2 times 154 800 2 times 1 361 900 06 1 943 8801 transformateur de 2 500 kVA 1 times 179 500 1 times 1 671 500 06 1 182 400Total 736 700 6 376 300 06 4 562 480Pour en savoir plus Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

Extrait de la fiche IND-UT-10 pour calculer les kWh cumac

Pertes agrave vide Pertes en charge Mode de fonctionnement du site

Coefficient de pertes en charge

kVA C0 B0 A0 + Bk Ak x 1 x 8 02250 27 900 35 900 43 300 61 900 111 400 2 x 8 04315 31 000 40 900 50 800 80 500 136 200 3 x 8 avec arrecirct le WE 05400 39 600 50 800 61 900 92 900 167 100 3 x 8 sans arrecirct le WE 06500 47 000 60 700 73 000 111 400 198 100630 54 500 70 600 86 700 136 200 235 200800 27 200 43 300 61 900 433 300 557 200

1 000 37 100 57 000 78 000 495 300 668 6001250 49 500 74 300 99 100 619 100 804 8001 600 61 900 92 900 123 800 742 900 990 5002 000 74 300 111 400 154 800 990 500 1 361 9002 500 86 700 130 000 179 500 1 238 100 1 671 500

Exemple Une entreprise industrielle peut valoriser le remplacement de ses vieux transformateurs eacutenergivores par des transformateurs agrave pertes reacuteduitesLrsquoindustriel exploite 5 transformateurs deux de 1 600 kVA deux de 2 000 kVA et un de 2 500 kVA en 3x8 y compris le week-end Dans le cas de leur remplacement par des transformateurs de type A0Ak et selon la fiche IND-UT-10 cela correspond agrave 45 GWh cumac

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4 Le coucirct des pertes

41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14

411 Coucirct annuel des pertes 14

412 Coucirct global des transformateurs 15

413 La charge des transformateurs

profil de charge et pic de charge 15

42 Exemple 16

Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie

Exemple de charge pondeacutereacutee sur une journeacutee sur un site industriel

150

03

1

065

085

05

085

03

390 720 810 1320 1440Minutes

Fact

eur

de c

harg

e

Facteur de charge pondeacutereacutee 0724

K 2H x tsumt = 1440

t = 01440

41 Preacutesentation geacuteneacuterale

411 Coucirct annuel des pertes

Les pertes annuelles drsquoun transformateur peuvent ecirctre eacutevalueacutees selon la formule suivante

WPertes = (P0 + Pk times Ksup2 ) times 8760

Ougrave

WPertes montant des pertes annuelles en kWh

P0 pertes agrave vide en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

Pk pertes en charge en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

K facteur de charge pondeacutereacutee sur lrsquoanneacutee

8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)

Un exemple de calcul du facteur de charge pondeacutereacutee est donneacute ci-apregraves

Sur un jour (1440 minutes) le facteur de charge pondeacutereacutee est eacutegal agrave

Soit aussi

(032 x 150 + 0652 x 240 + 0852 x 330 + 052 x 90 + 0852 x 510 + 032 x 120) 1440

La charge pondeacutereacutee journaliegravere est alors de 0724

Charge pondeacutereacutee annuelle =

Pour eacutevaluer le coucirct des pertes durant la vie du transformateur il doit ecirctre actualiseacute en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le temps9

Ce calcul est appeleacute le laquo Coucirct Total Actualiseacute des pertes raquo Il est deacutefini par la formule suivante

Ougrave

C eacutevaluation du coucirct moyen par kWh par an

WPertes pertes annuelles

i taux drsquoactualisation

n dureacutee de vie espeacutereacutee du transformateur (en anneacutees)

K 2j x JsumJ = 365

J = 1365

CTApertes = C x WPertes x (1 + i)n - 1i x ( + i)n

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412 Coucirct global des transformateurs

Pour eacutevaluer eacuteconomiquement lrsquoachat drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie comme pour les pertes les coucircts drsquoachat drsquoexploitation et de maintenance doivent ecirctre compareacutes en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le tempsCertaines simplifications peuvent ecirctre retenues bien que chaque transformateur ait son propre coucirct drsquoachat et ses propres pertes les autres coucircts ceux drsquoinstallation de maintenance et drsquoeacutelimination en fin de vie sont sensiblement les mecircmes pour tous les types de transformateur de puissance identique et ils peuvent ne pas ecirctre pris en compte

Le calcul du coucirct global peut ecirctre calculeacute selon la formule suivante

CTO = PP + A times P0 + B times Pk

Lrsquoeacutevaluation des facteurs A et B est deacutelicate puisqursquoelle deacutepend de lrsquoeacutevolution du reacutegime de charge du transformateur du coucirct de lrsquoeacutenergie du taux drsquoactualisation et aussi de la dureacutee de vie eacuteconomique preacutevueIl faut aussi tenir compte de lrsquoeacutevolution de la charge et du prix de lrsquoeacutenergie durant la vie du transformateurTypiquement la fourchette de prix pour A se situe entre 6 et 10 euroW et pour B entre 1 et 4 euroWUne meacutethode relativement simple est proposeacutee ci-dessous permettant de deacuteterminer les facteurs A et B pour les transformateurs de distribution

A et B sont calculeacutes comme suit (pertes agrave vide actualiseacutees)

Ces formules reposent sur lrsquohypothegravese que le coucirct de lrsquoeacutenergie et le niveau de charge sont constants tout au long de la dureacutee de vie du transformateur

413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge

Les conditions de charge des transformateurs sont probablement le facteur le plus important agrave consideacuterer pour seacutelectionner de faccedilon optimale des transformateurs selon le niveau de pertesDe maniegravere geacuteneacuterale pour les transformateurs tregraves fortement chargeacutes lrsquoattention doit se porter sur les pertes dues agrave la charge et pour ceux agrave faible charge sur les pertes agrave videLes transformateurs dans le secteur industriel de lrsquoUE-27 ont une charge moyenne de 40 environ et un pic de charge de 70 10 En comparaison la charge moyenne des transformateurs chez les distributeurs drsquoeacutenergie eacutelectrique dans lrsquoUE-27 est drsquoenviron 20 et le pic de charge est de 55 environ

9 Le concept du laquo coucirct de lrsquoargent raquo signifie qursquoune somme drsquoargent disponible immeacutediatement a une valeur plus importante que la mecircme somme disponible plus tard10 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

14 15

(1 + i)n - 1i x (1 + i)nA = CkWh x 8760 x

(1 + i)n - 1i x ( 1 + i)nB = CkWh x 8760 x k2 x

Ougrave

i taux drsquoactualisation ( an)n dureacutee de vie (en anneacutee)C kWh prix du kWh (eurokWh) 8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)k facteur de charge pondeacutereacute sur lrsquoanneacutee

OugravePP coucirct drsquoachat du transformateurA coucirct des pertes agrave vide (exprimeacute en euroW)P0 total des pertes agrave vide garanties B coucirct des pertes dues agrave la charge (exprimeacute en euroW)Pk pertes dues agrave la charge garanties

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42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 12: Ademe Transfo WEB

LrsquoAnnexe 2 - Facteur K preacutesente plus en deacutetail le calcul du facteur K

bull Les solutions pour reacuteduire les pertes in-situ

Il nrsquoy a pas de moyens externes permettant de modifier les pertes agrave vide car elles ne sont pas influenceacutees par les charges Par contre deux moyens externes permettent de reacuteduire les pertes suppleacutementaires dues agrave la charge

1 Compensation reacuteactive (batterie de condensateurs)Cette compensation permet drsquooptimiser lrsquoutilisation de la puissance du transformateur et de reacuteduire les pertes agrave 50 Hz2 Filtrage des courants harmoniquesLes pertes srsquoaccroissent avec les courants harmoniques Il existe plusieurs solutions de reacuteduction des courants harmoniques dans les reacuteseaux pollueacutes connaissance et reacuteduction du taux drsquoharmoniques agrave la source utilisation drsquoinductances anti-harmoniques en seacuterie avec les condensateurs de compensation du reacuteactif insertion de filtre passif etou actifs etc

314 Reacutepartition des pertes

On peut reacutesumer la situation des pertes sous la forme du graphique ci-contre

Transfo agrave vide

Transfo en chargeagrave Inominal

(P0 = 10 agrave15 de PDC)

Transfo en chargeagrave 70 sansharmoniques

PWE + PCE + PSE ~ 60 agrave 70 de PDC

PWE + PCE + PSE ~ 10 de PDC

PDC

Augmentation de5 agrave 8 de PDC

Transfo en charge

agrave 70 avecharmoniquesde courants

PDC PDCPDC

P0 P0P0P0

Figure 4 Reacutepartition des pertes

AvecPCC pertes dues agrave la charge au courant assigneacute et agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

P0 pertes agrave vide agrave la tension et agrave la freacutequence assigneacutees

S puissance assigneacutee

α facteur de charge

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

10 11

8 Lrsquoextrait de la norme NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo est reproduit avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets de la norme telle que diffuseacutee par AFNOR Editions ndash accessible via le site internet wwwboutiqueafnororg ndash ont valeur normative

315 Rendement

La norme NF EN 50464-18 indique que le rendement drsquoun transformateur de puissance est donneacute pour toute condition de charge par le rapport entre la puissance de sortie (P2) et la puissance drsquoentreacutee (P1)

η = P2P1

En raison de la difficulteacute agrave deacuteterminer le rendement par des mesures directes il peut ecirctre eacutevalueacute conventionnellement par les pertes garanties ou mesureacutees comme suit

α2 PCC + P0

α S + α2 PCC + P0

η = 100 1- ()( )

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Il est souhaitable que le transformateur soit exploiteacute agrave une charge raisonnable comprise entre 40 et 60 de sa charge nominale mais cela deacutepend aussi drsquoautres paramegravetres (cos ϕ tempeacuterature ambiante cycle de chargehellip)

Si la charge est supeacuterieure agrave 75 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une augmentation de sa puissance

A lrsquoinverse si la charge est infeacuterieure agrave 40 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une reacuteduction de sa puissance

Pertes (W) Rendement ()

Facteur de charge ()0 10 20 30

η

Ptot

Pcc

P0

40 50 60 70 80 90 100

η rendement Ptot pertes totalesPcc pertes en charge P0 pertes agrave vide

Figure 5 Allure de rendement en fonctionde la charge

La courbe typique du rendement drsquoun transforma-teur en fonction de sa charge est la suivante

Elle montre les pertes agrave vide les pertes dues agrave la charge le rendement en fonction de la charge du transformateur

Sur lrsquoexemple de la figure 5 le rendement est maximum pour un facteur de charge de 40

Quelque soit la puissance du transformateur il existe toujours un maximum entre le rendement et le facteur de charge en geacuteneacuteral aux alentours de 40-50 de la charge nominale

Puissance 1000 kVA

Pertes selon NF EN 50464-1

Niveau de pertes D0 Dk C0 Ck B0 Bk A0 Ak

Pertes agrave vide (W) 1400 1100 940 770

Pertes dues agrave la charge (W) 13000 10500 9000 7600

Charge 85 9861 9888 9904 9919

65 9884 9906 9920 9932

50 9898 9918 9930 9941

30 9906 9925 9936 9946

Exemple du rendement selon le niveau de pertes et la valeur de la charge

32 Normes et reacuteglementations applicablesActuellement il nrsquoexiste pas en Europe de reacuteglementation speacutecifique sur lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs de distri-bution De fait lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs est encore peu traiteacutee dans les leacutegislations europeacuteennes et franccedilaises

Drsquoun point de vue normatif diffeacuterents documents sont en vigueur et des certifications existent pour garantir la qualiteacute des transformateurs (ceux concernant en prioriteacute le domaine eacutenergeacutetique sont surligneacutes)

bull NF EN 50464-1 pour les transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-7 guide de charge pour les transformateurs immergeacutes

bull NF EN 50541-1 pour les transformateurs de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-12 guide de charge pour transformateurs de type sec

bull NF EN 60076-1 agrave 60076-5 transformateurs de puissance

bull NF EN 60076-11 transformateurs de puissance de type sec

La directive Eco-Design (dite directive ErP) (2009125EC adopteacutee en 2009) est conccedilue pour ameacuteliorer les performances environnementales et eacutenergeacutetiques sur le cycle de vie des eacutequipements lieacutees agrave lrsquoeacutenergie aussi elle permet drsquointroduire des exigences de performance eacutenergeacutetique

Dans ce cadre une application aux transformateurs de distribution est en cours de preacuteparation Lrsquoeacutetude preacuteparatoire est en consultation sur le site wwwecotransformerorg

Concernant la reacuteglementation sur les PCB se reacutefeacuterer au site du ministegravere wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

12 13

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergieLe dispositif des CEE (Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie) repose sur une obligation drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie imposeacutee aux fournisseurs drsquoeacutenergie (eacutelectriciteacute gaz fioul carburants hellip) Ces entreprises laquo obligeacutees raquo doivent soutenir ou accompagner des investissements ou actions drsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie chez les consommateurs sous peine de peacutenaliteacuteLes fournisseurs drsquoeacutenergie sont en capaciteacute de soutenir ou drsquoaider lrsquoachat drsquoeacutequipements figurant entre autres dans la liste des opeacuterations standardiseacutees par des maicirctres drsquoouvrage (entreprises industrielles ou tertiaire collectiviteacutes) Concregravetement cette aide se neacutegocie en amont de lrsquoinvestissement directement aupregraves des fournisseurs drsquoeacutenergie ou parfois aupregraves des fabricants drsquoeacutequipements

Trois actions standardiseacutees concernent les transformateurs

bull La fiche IN-UT-10 (industrie) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel pour les transformateurs de distribution industriels Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche RES-EL-01 (secteur reacuteseaux) - transformateur agrave haut rendement pour la distribution publique drsquoeacutelectriciteacute Elle concerne la laquo mise en place drsquoun transformateur de distribution publique agrave haut rendement (faibles pertes) triphaseacute immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 50 et 1 000 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie B0 ou A0 pour les pertes agrave vide Ck Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche BAT-EQ-21 (secteur des bacirctiments tertiaires) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes en charge

A noter que drsquoautres fiches sur

les transformateurs sont susceptibles drsquoecirctre ajouteacutees mais il nrsquoexiste pas encore

de fiches speacutecifiques aux transformateurs

de type secs

Estimation des kWh cumac

kWh cumac Pertes agrave vide Pertes en charge Coefficient de pertes en charge Total

2 transformateurs de 1 600 kVA 2 times 123 800 2 times 990 500 06 1 436 2002 transformateurs de 2 000 kVA 2 times 154 800 2 times 1 361 900 06 1 943 8801 transformateur de 2 500 kVA 1 times 179 500 1 times 1 671 500 06 1 182 400Total 736 700 6 376 300 06 4 562 480Pour en savoir plus Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

Extrait de la fiche IND-UT-10 pour calculer les kWh cumac

Pertes agrave vide Pertes en charge Mode de fonctionnement du site

Coefficient de pertes en charge

kVA C0 B0 A0 + Bk Ak x 1 x 8 02250 27 900 35 900 43 300 61 900 111 400 2 x 8 04315 31 000 40 900 50 800 80 500 136 200 3 x 8 avec arrecirct le WE 05400 39 600 50 800 61 900 92 900 167 100 3 x 8 sans arrecirct le WE 06500 47 000 60 700 73 000 111 400 198 100630 54 500 70 600 86 700 136 200 235 200800 27 200 43 300 61 900 433 300 557 200

1 000 37 100 57 000 78 000 495 300 668 6001250 49 500 74 300 99 100 619 100 804 8001 600 61 900 92 900 123 800 742 900 990 5002 000 74 300 111 400 154 800 990 500 1 361 9002 500 86 700 130 000 179 500 1 238 100 1 671 500

Exemple Une entreprise industrielle peut valoriser le remplacement de ses vieux transformateurs eacutenergivores par des transformateurs agrave pertes reacuteduitesLrsquoindustriel exploite 5 transformateurs deux de 1 600 kVA deux de 2 000 kVA et un de 2 500 kVA en 3x8 y compris le week-end Dans le cas de leur remplacement par des transformateurs de type A0Ak et selon la fiche IND-UT-10 cela correspond agrave 45 GWh cumac

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4 Le coucirct des pertes

41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14

411 Coucirct annuel des pertes 14

412 Coucirct global des transformateurs 15

413 La charge des transformateurs

profil de charge et pic de charge 15

42 Exemple 16

Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie

Exemple de charge pondeacutereacutee sur une journeacutee sur un site industriel

150

03

1

065

085

05

085

03

390 720 810 1320 1440Minutes

Fact

eur

de c

harg

e

Facteur de charge pondeacutereacutee 0724

K 2H x tsumt = 1440

t = 01440

41 Preacutesentation geacuteneacuterale

411 Coucirct annuel des pertes

Les pertes annuelles drsquoun transformateur peuvent ecirctre eacutevalueacutees selon la formule suivante

WPertes = (P0 + Pk times Ksup2 ) times 8760

Ougrave

WPertes montant des pertes annuelles en kWh

P0 pertes agrave vide en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

Pk pertes en charge en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

K facteur de charge pondeacutereacutee sur lrsquoanneacutee

8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)

Un exemple de calcul du facteur de charge pondeacutereacutee est donneacute ci-apregraves

Sur un jour (1440 minutes) le facteur de charge pondeacutereacutee est eacutegal agrave

Soit aussi

(032 x 150 + 0652 x 240 + 0852 x 330 + 052 x 90 + 0852 x 510 + 032 x 120) 1440

La charge pondeacutereacutee journaliegravere est alors de 0724

Charge pondeacutereacutee annuelle =

Pour eacutevaluer le coucirct des pertes durant la vie du transformateur il doit ecirctre actualiseacute en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le temps9

Ce calcul est appeleacute le laquo Coucirct Total Actualiseacute des pertes raquo Il est deacutefini par la formule suivante

Ougrave

C eacutevaluation du coucirct moyen par kWh par an

WPertes pertes annuelles

i taux drsquoactualisation

n dureacutee de vie espeacutereacutee du transformateur (en anneacutees)

K 2j x JsumJ = 365

J = 1365

CTApertes = C x WPertes x (1 + i)n - 1i x ( + i)n

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412 Coucirct global des transformateurs

Pour eacutevaluer eacuteconomiquement lrsquoachat drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie comme pour les pertes les coucircts drsquoachat drsquoexploitation et de maintenance doivent ecirctre compareacutes en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le tempsCertaines simplifications peuvent ecirctre retenues bien que chaque transformateur ait son propre coucirct drsquoachat et ses propres pertes les autres coucircts ceux drsquoinstallation de maintenance et drsquoeacutelimination en fin de vie sont sensiblement les mecircmes pour tous les types de transformateur de puissance identique et ils peuvent ne pas ecirctre pris en compte

Le calcul du coucirct global peut ecirctre calculeacute selon la formule suivante

CTO = PP + A times P0 + B times Pk

Lrsquoeacutevaluation des facteurs A et B est deacutelicate puisqursquoelle deacutepend de lrsquoeacutevolution du reacutegime de charge du transformateur du coucirct de lrsquoeacutenergie du taux drsquoactualisation et aussi de la dureacutee de vie eacuteconomique preacutevueIl faut aussi tenir compte de lrsquoeacutevolution de la charge et du prix de lrsquoeacutenergie durant la vie du transformateurTypiquement la fourchette de prix pour A se situe entre 6 et 10 euroW et pour B entre 1 et 4 euroWUne meacutethode relativement simple est proposeacutee ci-dessous permettant de deacuteterminer les facteurs A et B pour les transformateurs de distribution

A et B sont calculeacutes comme suit (pertes agrave vide actualiseacutees)

Ces formules reposent sur lrsquohypothegravese que le coucirct de lrsquoeacutenergie et le niveau de charge sont constants tout au long de la dureacutee de vie du transformateur

413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge

Les conditions de charge des transformateurs sont probablement le facteur le plus important agrave consideacuterer pour seacutelectionner de faccedilon optimale des transformateurs selon le niveau de pertesDe maniegravere geacuteneacuterale pour les transformateurs tregraves fortement chargeacutes lrsquoattention doit se porter sur les pertes dues agrave la charge et pour ceux agrave faible charge sur les pertes agrave videLes transformateurs dans le secteur industriel de lrsquoUE-27 ont une charge moyenne de 40 environ et un pic de charge de 70 10 En comparaison la charge moyenne des transformateurs chez les distributeurs drsquoeacutenergie eacutelectrique dans lrsquoUE-27 est drsquoenviron 20 et le pic de charge est de 55 environ

9 Le concept du laquo coucirct de lrsquoargent raquo signifie qursquoune somme drsquoargent disponible immeacutediatement a une valeur plus importante que la mecircme somme disponible plus tard10 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

14 15

(1 + i)n - 1i x (1 + i)nA = CkWh x 8760 x

(1 + i)n - 1i x ( 1 + i)nB = CkWh x 8760 x k2 x

Ougrave

i taux drsquoactualisation ( an)n dureacutee de vie (en anneacutee)C kWh prix du kWh (eurokWh) 8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)k facteur de charge pondeacutereacute sur lrsquoanneacutee

OugravePP coucirct drsquoachat du transformateurA coucirct des pertes agrave vide (exprimeacute en euroW)P0 total des pertes agrave vide garanties B coucirct des pertes dues agrave la charge (exprimeacute en euroW)Pk pertes dues agrave la charge garanties

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42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 13: Ademe Transfo WEB

Il est souhaitable que le transformateur soit exploiteacute agrave une charge raisonnable comprise entre 40 et 60 de sa charge nominale mais cela deacutepend aussi drsquoautres paramegravetres (cos ϕ tempeacuterature ambiante cycle de chargehellip)

Si la charge est supeacuterieure agrave 75 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une augmentation de sa puissance

A lrsquoinverse si la charge est infeacuterieure agrave 40 il faut reconsideacuterer la puissance du transformateur et envisager une reacuteduction de sa puissance

Pertes (W) Rendement ()

Facteur de charge ()0 10 20 30

η

Ptot

Pcc

P0

40 50 60 70 80 90 100

η rendement Ptot pertes totalesPcc pertes en charge P0 pertes agrave vide

Figure 5 Allure de rendement en fonctionde la charge

La courbe typique du rendement drsquoun transforma-teur en fonction de sa charge est la suivante

Elle montre les pertes agrave vide les pertes dues agrave la charge le rendement en fonction de la charge du transformateur

Sur lrsquoexemple de la figure 5 le rendement est maximum pour un facteur de charge de 40

Quelque soit la puissance du transformateur il existe toujours un maximum entre le rendement et le facteur de charge en geacuteneacuteral aux alentours de 40-50 de la charge nominale

Puissance 1000 kVA

Pertes selon NF EN 50464-1

Niveau de pertes D0 Dk C0 Ck B0 Bk A0 Ak

Pertes agrave vide (W) 1400 1100 940 770

Pertes dues agrave la charge (W) 13000 10500 9000 7600

Charge 85 9861 9888 9904 9919

65 9884 9906 9920 9932

50 9898 9918 9930 9941

30 9906 9925 9936 9946

Exemple du rendement selon le niveau de pertes et la valeur de la charge

32 Normes et reacuteglementations applicablesActuellement il nrsquoexiste pas en Europe de reacuteglementation speacutecifique sur lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs de distri-bution De fait lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique des transformateurs est encore peu traiteacutee dans les leacutegislations europeacuteennes et franccedilaises

Drsquoun point de vue normatif diffeacuterents documents sont en vigueur et des certifications existent pour garantir la qualiteacute des transformateurs (ceux concernant en prioriteacute le domaine eacutenergeacutetique sont surligneacutes)

bull NF EN 50464-1 pour les transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-7 guide de charge pour les transformateurs immergeacutes

bull NF EN 50541-1 pour les transformateurs de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV

bull CEI 60076-12 guide de charge pour transformateurs de type sec

bull NF EN 60076-1 agrave 60076-5 transformateurs de puissance

bull NF EN 60076-11 transformateurs de puissance de type sec

La directive Eco-Design (dite directive ErP) (2009125EC adopteacutee en 2009) est conccedilue pour ameacuteliorer les performances environnementales et eacutenergeacutetiques sur le cycle de vie des eacutequipements lieacutees agrave lrsquoeacutenergie aussi elle permet drsquointroduire des exigences de performance eacutenergeacutetique

Dans ce cadre une application aux transformateurs de distribution est en cours de preacuteparation Lrsquoeacutetude preacuteparatoire est en consultation sur le site wwwecotransformerorg

Concernant la reacuteglementation sur les PCB se reacutefeacuterer au site du ministegravere wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

12 13

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergieLe dispositif des CEE (Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie) repose sur une obligation drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie imposeacutee aux fournisseurs drsquoeacutenergie (eacutelectriciteacute gaz fioul carburants hellip) Ces entreprises laquo obligeacutees raquo doivent soutenir ou accompagner des investissements ou actions drsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie chez les consommateurs sous peine de peacutenaliteacuteLes fournisseurs drsquoeacutenergie sont en capaciteacute de soutenir ou drsquoaider lrsquoachat drsquoeacutequipements figurant entre autres dans la liste des opeacuterations standardiseacutees par des maicirctres drsquoouvrage (entreprises industrielles ou tertiaire collectiviteacutes) Concregravetement cette aide se neacutegocie en amont de lrsquoinvestissement directement aupregraves des fournisseurs drsquoeacutenergie ou parfois aupregraves des fabricants drsquoeacutequipements

Trois actions standardiseacutees concernent les transformateurs

bull La fiche IN-UT-10 (industrie) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel pour les transformateurs de distribution industriels Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche RES-EL-01 (secteur reacuteseaux) - transformateur agrave haut rendement pour la distribution publique drsquoeacutelectriciteacute Elle concerne la laquo mise en place drsquoun transformateur de distribution publique agrave haut rendement (faibles pertes) triphaseacute immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 50 et 1 000 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie B0 ou A0 pour les pertes agrave vide Ck Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche BAT-EQ-21 (secteur des bacirctiments tertiaires) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes en charge

A noter que drsquoautres fiches sur

les transformateurs sont susceptibles drsquoecirctre ajouteacutees mais il nrsquoexiste pas encore

de fiches speacutecifiques aux transformateurs

de type secs

Estimation des kWh cumac

kWh cumac Pertes agrave vide Pertes en charge Coefficient de pertes en charge Total

2 transformateurs de 1 600 kVA 2 times 123 800 2 times 990 500 06 1 436 2002 transformateurs de 2 000 kVA 2 times 154 800 2 times 1 361 900 06 1 943 8801 transformateur de 2 500 kVA 1 times 179 500 1 times 1 671 500 06 1 182 400Total 736 700 6 376 300 06 4 562 480Pour en savoir plus Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

Extrait de la fiche IND-UT-10 pour calculer les kWh cumac

Pertes agrave vide Pertes en charge Mode de fonctionnement du site

Coefficient de pertes en charge

kVA C0 B0 A0 + Bk Ak x 1 x 8 02250 27 900 35 900 43 300 61 900 111 400 2 x 8 04315 31 000 40 900 50 800 80 500 136 200 3 x 8 avec arrecirct le WE 05400 39 600 50 800 61 900 92 900 167 100 3 x 8 sans arrecirct le WE 06500 47 000 60 700 73 000 111 400 198 100630 54 500 70 600 86 700 136 200 235 200800 27 200 43 300 61 900 433 300 557 200

1 000 37 100 57 000 78 000 495 300 668 6001250 49 500 74 300 99 100 619 100 804 8001 600 61 900 92 900 123 800 742 900 990 5002 000 74 300 111 400 154 800 990 500 1 361 9002 500 86 700 130 000 179 500 1 238 100 1 671 500

Exemple Une entreprise industrielle peut valoriser le remplacement de ses vieux transformateurs eacutenergivores par des transformateurs agrave pertes reacuteduitesLrsquoindustriel exploite 5 transformateurs deux de 1 600 kVA deux de 2 000 kVA et un de 2 500 kVA en 3x8 y compris le week-end Dans le cas de leur remplacement par des transformateurs de type A0Ak et selon la fiche IND-UT-10 cela correspond agrave 45 GWh cumac

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4 Le coucirct des pertes

41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14

411 Coucirct annuel des pertes 14

412 Coucirct global des transformateurs 15

413 La charge des transformateurs

profil de charge et pic de charge 15

42 Exemple 16

Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie

Exemple de charge pondeacutereacutee sur une journeacutee sur un site industriel

150

03

1

065

085

05

085

03

390 720 810 1320 1440Minutes

Fact

eur

de c

harg

e

Facteur de charge pondeacutereacutee 0724

K 2H x tsumt = 1440

t = 01440

41 Preacutesentation geacuteneacuterale

411 Coucirct annuel des pertes

Les pertes annuelles drsquoun transformateur peuvent ecirctre eacutevalueacutees selon la formule suivante

WPertes = (P0 + Pk times Ksup2 ) times 8760

Ougrave

WPertes montant des pertes annuelles en kWh

P0 pertes agrave vide en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

Pk pertes en charge en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

K facteur de charge pondeacutereacutee sur lrsquoanneacutee

8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)

Un exemple de calcul du facteur de charge pondeacutereacutee est donneacute ci-apregraves

Sur un jour (1440 minutes) le facteur de charge pondeacutereacutee est eacutegal agrave

Soit aussi

(032 x 150 + 0652 x 240 + 0852 x 330 + 052 x 90 + 0852 x 510 + 032 x 120) 1440

La charge pondeacutereacutee journaliegravere est alors de 0724

Charge pondeacutereacutee annuelle =

Pour eacutevaluer le coucirct des pertes durant la vie du transformateur il doit ecirctre actualiseacute en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le temps9

Ce calcul est appeleacute le laquo Coucirct Total Actualiseacute des pertes raquo Il est deacutefini par la formule suivante

Ougrave

C eacutevaluation du coucirct moyen par kWh par an

WPertes pertes annuelles

i taux drsquoactualisation

n dureacutee de vie espeacutereacutee du transformateur (en anneacutees)

K 2j x JsumJ = 365

J = 1365

CTApertes = C x WPertes x (1 + i)n - 1i x ( + i)n

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412 Coucirct global des transformateurs

Pour eacutevaluer eacuteconomiquement lrsquoachat drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie comme pour les pertes les coucircts drsquoachat drsquoexploitation et de maintenance doivent ecirctre compareacutes en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le tempsCertaines simplifications peuvent ecirctre retenues bien que chaque transformateur ait son propre coucirct drsquoachat et ses propres pertes les autres coucircts ceux drsquoinstallation de maintenance et drsquoeacutelimination en fin de vie sont sensiblement les mecircmes pour tous les types de transformateur de puissance identique et ils peuvent ne pas ecirctre pris en compte

Le calcul du coucirct global peut ecirctre calculeacute selon la formule suivante

CTO = PP + A times P0 + B times Pk

Lrsquoeacutevaluation des facteurs A et B est deacutelicate puisqursquoelle deacutepend de lrsquoeacutevolution du reacutegime de charge du transformateur du coucirct de lrsquoeacutenergie du taux drsquoactualisation et aussi de la dureacutee de vie eacuteconomique preacutevueIl faut aussi tenir compte de lrsquoeacutevolution de la charge et du prix de lrsquoeacutenergie durant la vie du transformateurTypiquement la fourchette de prix pour A se situe entre 6 et 10 euroW et pour B entre 1 et 4 euroWUne meacutethode relativement simple est proposeacutee ci-dessous permettant de deacuteterminer les facteurs A et B pour les transformateurs de distribution

A et B sont calculeacutes comme suit (pertes agrave vide actualiseacutees)

Ces formules reposent sur lrsquohypothegravese que le coucirct de lrsquoeacutenergie et le niveau de charge sont constants tout au long de la dureacutee de vie du transformateur

413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge

Les conditions de charge des transformateurs sont probablement le facteur le plus important agrave consideacuterer pour seacutelectionner de faccedilon optimale des transformateurs selon le niveau de pertesDe maniegravere geacuteneacuterale pour les transformateurs tregraves fortement chargeacutes lrsquoattention doit se porter sur les pertes dues agrave la charge et pour ceux agrave faible charge sur les pertes agrave videLes transformateurs dans le secteur industriel de lrsquoUE-27 ont une charge moyenne de 40 environ et un pic de charge de 70 10 En comparaison la charge moyenne des transformateurs chez les distributeurs drsquoeacutenergie eacutelectrique dans lrsquoUE-27 est drsquoenviron 20 et le pic de charge est de 55 environ

9 Le concept du laquo coucirct de lrsquoargent raquo signifie qursquoune somme drsquoargent disponible immeacutediatement a une valeur plus importante que la mecircme somme disponible plus tard10 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

14 15

(1 + i)n - 1i x (1 + i)nA = CkWh x 8760 x

(1 + i)n - 1i x ( 1 + i)nB = CkWh x 8760 x k2 x

Ougrave

i taux drsquoactualisation ( an)n dureacutee de vie (en anneacutee)C kWh prix du kWh (eurokWh) 8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)k facteur de charge pondeacutereacute sur lrsquoanneacutee

OugravePP coucirct drsquoachat du transformateurA coucirct des pertes agrave vide (exprimeacute en euroW)P0 total des pertes agrave vide garanties B coucirct des pertes dues agrave la charge (exprimeacute en euroW)Pk pertes dues agrave la charge garanties

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42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 14: Ademe Transfo WEB

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

12 13

33 Les Certificats drsquoEconomies drsquoEnergieLe dispositif des CEE (Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie) repose sur une obligation drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie imposeacutee aux fournisseurs drsquoeacutenergie (eacutelectriciteacute gaz fioul carburants hellip) Ces entreprises laquo obligeacutees raquo doivent soutenir ou accompagner des investissements ou actions drsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie chez les consommateurs sous peine de peacutenaliteacuteLes fournisseurs drsquoeacutenergie sont en capaciteacute de soutenir ou drsquoaider lrsquoachat drsquoeacutequipements figurant entre autres dans la liste des opeacuterations standardiseacutees par des maicirctres drsquoouvrage (entreprises industrielles ou tertiaire collectiviteacutes) Concregravetement cette aide se neacutegocie en amont de lrsquoinvestissement directement aupregraves des fournisseurs drsquoeacutenergie ou parfois aupregraves des fabricants drsquoeacutequipements

Trois actions standardiseacutees concernent les transformateurs

bull La fiche IN-UT-10 (industrie) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel pour les transformateurs de distribution industriels Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site industriel raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche RES-EL-01 (secteur reacuteseaux) - transformateur agrave haut rendement pour la distribution publique drsquoeacutelectriciteacute Elle concerne la laquo mise en place drsquoun transformateur de distribution publique agrave haut rendement (faibles pertes) triphaseacute immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 50 et 1 000 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie B0 ou A0 pour les pertes agrave vide Ck Bk ou Ak pour les pertes dues agrave la charge

bull La fiche BAT-EQ-21 (secteur des bacirctiments tertiaires) - transformateur agrave haut rendement pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire Elle concerne les laquo transformateurs de distribution priveacutes agrave haut rendement (faibles pertes) de type immergeacute dans lrsquohuile drsquoune puissance comprise entre 250 et 2 500 kVA et de tension primaire infeacuterieure agrave 24 kV pour lrsquoalimentation basse tension drsquoun site tertiaire raquo Elle permet drsquoacqueacuterir des kWh cumac pour les transformateurs de cateacutegorie C0 B0 A0 pour les pertes agrave vide Bk ou Ak pour les pertes en charge

A noter que drsquoautres fiches sur

les transformateurs sont susceptibles drsquoecirctre ajouteacutees mais il nrsquoexiste pas encore

de fiches speacutecifiques aux transformateurs

de type secs

Estimation des kWh cumac

kWh cumac Pertes agrave vide Pertes en charge Coefficient de pertes en charge Total

2 transformateurs de 1 600 kVA 2 times 123 800 2 times 990 500 06 1 436 2002 transformateurs de 2 000 kVA 2 times 154 800 2 times 1 361 900 06 1 943 8801 transformateur de 2 500 kVA 1 times 179 500 1 times 1 671 500 06 1 182 400Total 736 700 6 376 300 06 4 562 480Pour en savoir plus Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

Extrait de la fiche IND-UT-10 pour calculer les kWh cumac

Pertes agrave vide Pertes en charge Mode de fonctionnement du site

Coefficient de pertes en charge

kVA C0 B0 A0 + Bk Ak x 1 x 8 02250 27 900 35 900 43 300 61 900 111 400 2 x 8 04315 31 000 40 900 50 800 80 500 136 200 3 x 8 avec arrecirct le WE 05400 39 600 50 800 61 900 92 900 167 100 3 x 8 sans arrecirct le WE 06500 47 000 60 700 73 000 111 400 198 100630 54 500 70 600 86 700 136 200 235 200800 27 200 43 300 61 900 433 300 557 200

1 000 37 100 57 000 78 000 495 300 668 6001250 49 500 74 300 99 100 619 100 804 8001 600 61 900 92 900 123 800 742 900 990 5002 000 74 300 111 400 154 800 990 500 1 361 9002 500 86 700 130 000 179 500 1 238 100 1 671 500

Exemple Une entreprise industrielle peut valoriser le remplacement de ses vieux transformateurs eacutenergivores par des transformateurs agrave pertes reacuteduitesLrsquoindustriel exploite 5 transformateurs deux de 1 600 kVA deux de 2 000 kVA et un de 2 500 kVA en 3x8 y compris le week-end Dans le cas de leur remplacement par des transformateurs de type A0Ak et selon la fiche IND-UT-10 cela correspond agrave 45 GWh cumac

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4 Le coucirct des pertes

41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14

411 Coucirct annuel des pertes 14

412 Coucirct global des transformateurs 15

413 La charge des transformateurs

profil de charge et pic de charge 15

42 Exemple 16

Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie

Exemple de charge pondeacutereacutee sur une journeacutee sur un site industriel

150

03

1

065

085

05

085

03

390 720 810 1320 1440Minutes

Fact

eur

de c

harg

e

Facteur de charge pondeacutereacutee 0724

K 2H x tsumt = 1440

t = 01440

41 Preacutesentation geacuteneacuterale

411 Coucirct annuel des pertes

Les pertes annuelles drsquoun transformateur peuvent ecirctre eacutevalueacutees selon la formule suivante

WPertes = (P0 + Pk times Ksup2 ) times 8760

Ougrave

WPertes montant des pertes annuelles en kWh

P0 pertes agrave vide en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

Pk pertes en charge en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

K facteur de charge pondeacutereacutee sur lrsquoanneacutee

8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)

Un exemple de calcul du facteur de charge pondeacutereacutee est donneacute ci-apregraves

Sur un jour (1440 minutes) le facteur de charge pondeacutereacutee est eacutegal agrave

Soit aussi

(032 x 150 + 0652 x 240 + 0852 x 330 + 052 x 90 + 0852 x 510 + 032 x 120) 1440

La charge pondeacutereacutee journaliegravere est alors de 0724

Charge pondeacutereacutee annuelle =

Pour eacutevaluer le coucirct des pertes durant la vie du transformateur il doit ecirctre actualiseacute en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le temps9

Ce calcul est appeleacute le laquo Coucirct Total Actualiseacute des pertes raquo Il est deacutefini par la formule suivante

Ougrave

C eacutevaluation du coucirct moyen par kWh par an

WPertes pertes annuelles

i taux drsquoactualisation

n dureacutee de vie espeacutereacutee du transformateur (en anneacutees)

K 2j x JsumJ = 365

J = 1365

CTApertes = C x WPertes x (1 + i)n - 1i x ( + i)n

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412 Coucirct global des transformateurs

Pour eacutevaluer eacuteconomiquement lrsquoachat drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie comme pour les pertes les coucircts drsquoachat drsquoexploitation et de maintenance doivent ecirctre compareacutes en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le tempsCertaines simplifications peuvent ecirctre retenues bien que chaque transformateur ait son propre coucirct drsquoachat et ses propres pertes les autres coucircts ceux drsquoinstallation de maintenance et drsquoeacutelimination en fin de vie sont sensiblement les mecircmes pour tous les types de transformateur de puissance identique et ils peuvent ne pas ecirctre pris en compte

Le calcul du coucirct global peut ecirctre calculeacute selon la formule suivante

CTO = PP + A times P0 + B times Pk

Lrsquoeacutevaluation des facteurs A et B est deacutelicate puisqursquoelle deacutepend de lrsquoeacutevolution du reacutegime de charge du transformateur du coucirct de lrsquoeacutenergie du taux drsquoactualisation et aussi de la dureacutee de vie eacuteconomique preacutevueIl faut aussi tenir compte de lrsquoeacutevolution de la charge et du prix de lrsquoeacutenergie durant la vie du transformateurTypiquement la fourchette de prix pour A se situe entre 6 et 10 euroW et pour B entre 1 et 4 euroWUne meacutethode relativement simple est proposeacutee ci-dessous permettant de deacuteterminer les facteurs A et B pour les transformateurs de distribution

A et B sont calculeacutes comme suit (pertes agrave vide actualiseacutees)

Ces formules reposent sur lrsquohypothegravese que le coucirct de lrsquoeacutenergie et le niveau de charge sont constants tout au long de la dureacutee de vie du transformateur

413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge

Les conditions de charge des transformateurs sont probablement le facteur le plus important agrave consideacuterer pour seacutelectionner de faccedilon optimale des transformateurs selon le niveau de pertesDe maniegravere geacuteneacuterale pour les transformateurs tregraves fortement chargeacutes lrsquoattention doit se porter sur les pertes dues agrave la charge et pour ceux agrave faible charge sur les pertes agrave videLes transformateurs dans le secteur industriel de lrsquoUE-27 ont une charge moyenne de 40 environ et un pic de charge de 70 10 En comparaison la charge moyenne des transformateurs chez les distributeurs drsquoeacutenergie eacutelectrique dans lrsquoUE-27 est drsquoenviron 20 et le pic de charge est de 55 environ

9 Le concept du laquo coucirct de lrsquoargent raquo signifie qursquoune somme drsquoargent disponible immeacutediatement a une valeur plus importante que la mecircme somme disponible plus tard10 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

14 15

(1 + i)n - 1i x (1 + i)nA = CkWh x 8760 x

(1 + i)n - 1i x ( 1 + i)nB = CkWh x 8760 x k2 x

Ougrave

i taux drsquoactualisation ( an)n dureacutee de vie (en anneacutee)C kWh prix du kWh (eurokWh) 8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)k facteur de charge pondeacutereacute sur lrsquoanneacutee

OugravePP coucirct drsquoachat du transformateurA coucirct des pertes agrave vide (exprimeacute en euroW)P0 total des pertes agrave vide garanties B coucirct des pertes dues agrave la charge (exprimeacute en euroW)Pk pertes dues agrave la charge garanties

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42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 15: Ademe Transfo WEB

4 Le coucirct des pertes

41 Preacutesentation geacuteneacuterale 14

411 Coucirct annuel des pertes 14

412 Coucirct global des transformateurs 15

413 La charge des transformateurs

profil de charge et pic de charge 15

42 Exemple 16

Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation eacuteconomique drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie

Exemple de charge pondeacutereacutee sur une journeacutee sur un site industriel

150

03

1

065

085

05

085

03

390 720 810 1320 1440Minutes

Fact

eur

de c

harg

e

Facteur de charge pondeacutereacutee 0724

K 2H x tsumt = 1440

t = 01440

41 Preacutesentation geacuteneacuterale

411 Coucirct annuel des pertes

Les pertes annuelles drsquoun transformateur peuvent ecirctre eacutevalueacutees selon la formule suivante

WPertes = (P0 + Pk times Ksup2 ) times 8760

Ougrave

WPertes montant des pertes annuelles en kWh

P0 pertes agrave vide en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

Pk pertes en charge en kW paramegravetre speacutecifieacute dans les caracteacuteristiques du transformateur

K facteur de charge pondeacutereacutee sur lrsquoanneacutee

8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)

Un exemple de calcul du facteur de charge pondeacutereacutee est donneacute ci-apregraves

Sur un jour (1440 minutes) le facteur de charge pondeacutereacutee est eacutegal agrave

Soit aussi

(032 x 150 + 0652 x 240 + 0852 x 330 + 052 x 90 + 0852 x 510 + 032 x 120) 1440

La charge pondeacutereacutee journaliegravere est alors de 0724

Charge pondeacutereacutee annuelle =

Pour eacutevaluer le coucirct des pertes durant la vie du transformateur il doit ecirctre actualiseacute en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le temps9

Ce calcul est appeleacute le laquo Coucirct Total Actualiseacute des pertes raquo Il est deacutefini par la formule suivante

Ougrave

C eacutevaluation du coucirct moyen par kWh par an

WPertes pertes annuelles

i taux drsquoactualisation

n dureacutee de vie espeacutereacutee du transformateur (en anneacutees)

K 2j x JsumJ = 365

J = 1365

CTApertes = C x WPertes x (1 + i)n - 1i x ( + i)n

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412 Coucirct global des transformateurs

Pour eacutevaluer eacuteconomiquement lrsquoachat drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie comme pour les pertes les coucircts drsquoachat drsquoexploitation et de maintenance doivent ecirctre compareacutes en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le tempsCertaines simplifications peuvent ecirctre retenues bien que chaque transformateur ait son propre coucirct drsquoachat et ses propres pertes les autres coucircts ceux drsquoinstallation de maintenance et drsquoeacutelimination en fin de vie sont sensiblement les mecircmes pour tous les types de transformateur de puissance identique et ils peuvent ne pas ecirctre pris en compte

Le calcul du coucirct global peut ecirctre calculeacute selon la formule suivante

CTO = PP + A times P0 + B times Pk

Lrsquoeacutevaluation des facteurs A et B est deacutelicate puisqursquoelle deacutepend de lrsquoeacutevolution du reacutegime de charge du transformateur du coucirct de lrsquoeacutenergie du taux drsquoactualisation et aussi de la dureacutee de vie eacuteconomique preacutevueIl faut aussi tenir compte de lrsquoeacutevolution de la charge et du prix de lrsquoeacutenergie durant la vie du transformateurTypiquement la fourchette de prix pour A se situe entre 6 et 10 euroW et pour B entre 1 et 4 euroWUne meacutethode relativement simple est proposeacutee ci-dessous permettant de deacuteterminer les facteurs A et B pour les transformateurs de distribution

A et B sont calculeacutes comme suit (pertes agrave vide actualiseacutees)

Ces formules reposent sur lrsquohypothegravese que le coucirct de lrsquoeacutenergie et le niveau de charge sont constants tout au long de la dureacutee de vie du transformateur

413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge

Les conditions de charge des transformateurs sont probablement le facteur le plus important agrave consideacuterer pour seacutelectionner de faccedilon optimale des transformateurs selon le niveau de pertesDe maniegravere geacuteneacuterale pour les transformateurs tregraves fortement chargeacutes lrsquoattention doit se porter sur les pertes dues agrave la charge et pour ceux agrave faible charge sur les pertes agrave videLes transformateurs dans le secteur industriel de lrsquoUE-27 ont une charge moyenne de 40 environ et un pic de charge de 70 10 En comparaison la charge moyenne des transformateurs chez les distributeurs drsquoeacutenergie eacutelectrique dans lrsquoUE-27 est drsquoenviron 20 et le pic de charge est de 55 environ

9 Le concept du laquo coucirct de lrsquoargent raquo signifie qursquoune somme drsquoargent disponible immeacutediatement a une valeur plus importante que la mecircme somme disponible plus tard10 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

14 15

(1 + i)n - 1i x (1 + i)nA = CkWh x 8760 x

(1 + i)n - 1i x ( 1 + i)nB = CkWh x 8760 x k2 x

Ougrave

i taux drsquoactualisation ( an)n dureacutee de vie (en anneacutee)C kWh prix du kWh (eurokWh) 8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)k facteur de charge pondeacutereacute sur lrsquoanneacutee

OugravePP coucirct drsquoachat du transformateurA coucirct des pertes agrave vide (exprimeacute en euroW)P0 total des pertes agrave vide garanties B coucirct des pertes dues agrave la charge (exprimeacute en euroW)Pk pertes dues agrave la charge garanties

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42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 16: Ademe Transfo WEB

412 Coucirct global des transformateurs

Pour eacutevaluer eacuteconomiquement lrsquoachat drsquoun transformateur il est indispensable de calculer le coucirct global actualiseacute du transformateur tout au long de sa dureacutee de vie comme pour les pertes les coucircts drsquoachat drsquoexploitation et de maintenance doivent ecirctre compareacutes en tenant compte de lrsquoeacutevolution du coucirct de lrsquoargent dans le tempsCertaines simplifications peuvent ecirctre retenues bien que chaque transformateur ait son propre coucirct drsquoachat et ses propres pertes les autres coucircts ceux drsquoinstallation de maintenance et drsquoeacutelimination en fin de vie sont sensiblement les mecircmes pour tous les types de transformateur de puissance identique et ils peuvent ne pas ecirctre pris en compte

Le calcul du coucirct global peut ecirctre calculeacute selon la formule suivante

CTO = PP + A times P0 + B times Pk

Lrsquoeacutevaluation des facteurs A et B est deacutelicate puisqursquoelle deacutepend de lrsquoeacutevolution du reacutegime de charge du transformateur du coucirct de lrsquoeacutenergie du taux drsquoactualisation et aussi de la dureacutee de vie eacuteconomique preacutevueIl faut aussi tenir compte de lrsquoeacutevolution de la charge et du prix de lrsquoeacutenergie durant la vie du transformateurTypiquement la fourchette de prix pour A se situe entre 6 et 10 euroW et pour B entre 1 et 4 euroWUne meacutethode relativement simple est proposeacutee ci-dessous permettant de deacuteterminer les facteurs A et B pour les transformateurs de distribution

A et B sont calculeacutes comme suit (pertes agrave vide actualiseacutees)

Ces formules reposent sur lrsquohypothegravese que le coucirct de lrsquoeacutenergie et le niveau de charge sont constants tout au long de la dureacutee de vie du transformateur

413 La charge des transformateurs profil de charge et pic de charge

Les conditions de charge des transformateurs sont probablement le facteur le plus important agrave consideacuterer pour seacutelectionner de faccedilon optimale des transformateurs selon le niveau de pertesDe maniegravere geacuteneacuterale pour les transformateurs tregraves fortement chargeacutes lrsquoattention doit se porter sur les pertes dues agrave la charge et pour ceux agrave faible charge sur les pertes agrave videLes transformateurs dans le secteur industriel de lrsquoUE-27 ont une charge moyenne de 40 environ et un pic de charge de 70 10 En comparaison la charge moyenne des transformateurs chez les distributeurs drsquoeacutenergie eacutelectrique dans lrsquoUE-27 est drsquoenviron 20 et le pic de charge est de 55 environ

9 Le concept du laquo coucirct de lrsquoargent raquo signifie qursquoune somme drsquoargent disponible immeacutediatement a une valeur plus importante que la mecircme somme disponible plus tard10 Donneacutees du projet SEEDT et de lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO de la directive ErP sur les transformateurs de distribution

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

14 15

(1 + i)n - 1i x (1 + i)nA = CkWh x 8760 x

(1 + i)n - 1i x ( 1 + i)nB = CkWh x 8760 x k2 x

Ougrave

i taux drsquoactualisation ( an)n dureacutee de vie (en anneacutee)C kWh prix du kWh (eurokWh) 8760 nombre drsquoheures de fonctionnement dans lrsquoanneacutee (2424 h 365 j an)k facteur de charge pondeacutereacute sur lrsquoanneacutee

OugravePP coucirct drsquoachat du transformateurA coucirct des pertes agrave vide (exprimeacute en euroW)P0 total des pertes agrave vide garanties B coucirct des pertes dues agrave la charge (exprimeacute en euroW)Pk pertes dues agrave la charge garanties

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42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 17: Ademe Transfo WEB

42 ExempleLrsquoexemple ci-dessous compare diffeacuterents transformateurs industriels utiliseacutes par une acieacuterie La charge moyenne est eacuteleveacutee (65 ) car elle integravegre les pertes suppleacutementaires dues aux harmoniques de courant

Donneacutees du contexte

Type du transformateur 1 000 kVA immergeacuteCharge moyenne 65 (2424h)cos ϕ moyen de la charge 090Dureacutee de vie eacuteconomique 20 anscoucirct de lrsquoeacutenergie 006 EuroskWh

Comparatif des transformateurs avec type de pertes selon NF EN 50464-1

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Pertes agrave vide (W) 1 400 1 100 940 770Pertes dues agrave la charge (W) 13 000 10 500 9 000 7 600Coucirct indicatif reacutefeacuterenceacute agrave Do Dk en base 100 100 117 130 150

Pertes annuelles (kWh) Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

Rendement () 9895 9916 9928 9939Pertes agrave vide (kWh) 12 264 9 636 8 234 6 745Pertes dues agrave la charge (kWh) 48 114 38 862 33 310 28 128Total (kWh) 60 378 48 498 41 544 34 874

Pertes agrave vide 736 578 494 405

Pertes dues agrave la charge 2 887 2 332 1 999 1 688

Total 3 623 2 910 2 493 2 093

Pertes Do Dk 0 euro 7 000 euro 11 097 euro 15 018 euro

Pertes Co Ck 0 euro 4 097 euro 8 017 euro

Pertes Bo Bk 0 euro 3 921 euro

Pertes Do Dk Pertes Co Ck Pertes Bo BkPertes Ao Ak

35 575 euro 28 575 euro 24 478 euro 20 557 euro

Cout annuel des pertes en euro

Economie relative aux pertes sur la dureacutee de vie

Coucirct actualiseacute des pertes sur la dureacutee de vie

En outre lrsquoentreprise peut valoriser lrsquoachat du transformateur agrave pertes reacuteduites via les CEE (voir sect 33)

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 18: Ademe Transfo WEB

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

16 17

5 La maintenance et la reacuteparation des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs

Il existe le guide de bonnes pratiques Excelec publieacute par le Gimeacutelec Crsquoest un reacutefeacuterentiel professionnel ayant pour objectif drsquoaccompagner les responsables maintenance drsquoun parc eacutelectrique vers une maintenance optimiseacutee agrave la fois en termes de coucirct et de qualiteacute Il propose un outil drsquoaide agrave la mise en œuvre des prestations de maintenance dans une lo-gique drsquooptimisation des risques et du savoir faire Il est teacuteleacutechargeable sur wwwgimelecfrLes actions de maintenance preacuteventives suivantes sont conseilleacutees tous les ans

Le tableau ci-dessous preacutesente les facteurs de risque drsquoavarie leurs effets ainsi que les actions de maintenance agrave mettre en place

Actions de maintenance contre le vieillissement preacutematureacute ducirc agrave la tempeacuterature

Les transformateurs de distribution (HTBT) de 50 kVA agrave 2 500 kVA installeacutes en inteacuterieur ou en exteacuterieur sont concerneacutes par les consideacuterations deacuteveloppeacutees ci-dessous indeacutependamment du niveau de pertes

Une maintenance reacuteguliegravere permet

drsquoeacuteviter une deacutegradation des performances

eacutenergeacutetiques des transformateurs

51 La maintenance des transformateurs 17

52 La reacuteparation des transformateurs 18

Actions conseilleacutees EffetsNettoyer les piegraveces sous tension (traverseacutees connexions hellip)Veacuterification de lrsquoabsence de deacutegradation des cacircbles et bornes de raccordement

Eviter les risques drsquoamorccedilages

Resserrer les jeux de barre et les raccordements

Eviter les points chauds relatifs agrave un serrage insuffisant

Mesure par camera infrarouge (trans-formateur sous tension et en charge)

Deacuteceler les points chauds

Veacuterifier la preacutesence des dispositifs de protection (capot verrouillage HT bac de reacutetentionhellip)

Eviter les risques aux personnes et les atteintes environnementales

Faire les essais sur les relais de protection avec deacuteclenchement HTBT

Srsquoassurer du bon fonctionnement des protections

Veacuterifier srsquoil est visible le niveau de liquide et lrsquoeacutetancheacuteiteacute des joints

Deacutetecter les fuites eacuteventuelles de dieacutelectriques

Deacutetecter les deacuteteacuteriorations eacuteven-tuelles de peinture

Limiter les risques dus agrave la corrosion

En cas de drsquoeacutevolution de lrsquoinstallation deacuteterminer le profil de charge sur une peacuteriode de consommation pertinente en mesurant les courants les tensions les puissances et les harmoniques

Deacutetecter les surcharges eacuteventuelles et les distorsions anormales de tension et de courant

Veacuterifier lrsquoefficaciteacute de la ventilation du transformateur et de son local

Eviter les eacutechauffements preacutejudiciables

Facteurs de vieillissement preacutematureacute

Effets Actions de maintenance

Preacutesence drsquoharmoniques Echauffements preacutejudi-ciables du transformateurdues aux pertes suppleacutementaires

Veacuterifier le niveau drsquoharmoniques et de la charge du transformateur

Echauffements Deacutegradation des isolants et du dieacutelectrique

Augmenter la ventilation du transformateur et du local diminuer la charge

Surcharges Echauffements et vieillis-sement preacutematureacute des isolants

Diminuer la puissance absorbeacutee par les charges ou le nombre de charges alimenteacutees ou ameacuteliorer le cos ϕ

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bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 19: Ademe Transfo WEB

bull Paramegravetres agrave surveillerPar ordre de prioriteacutebull TempeacuteratureLrsquohuile mineacuterale eacutetant inflammable le transformateur doit ecirctre eacutequipeacute drsquoun relais de protection devant mettre le transformateur hors tension (NF C13-100 NF C13-200 et NF C17-300)11NB Le guide de charge CEI 60076-7 signale qursquoun deacutepassement permanent de tempeacuterature du point chaud des enroulements de 6degC reacuteduit de moitieacute la dureacutee de vie des transformateurs immergeacutes

bull Dieacutelectrique liquideLe dieacutelectrique liquide subit des contraintes thermiques et eacutelectriques et se deacutegrade dans le temps de plus drsquoeacuteven-tuels points chauds peuvent alteacuterer lrsquohuile Une analyse (au minimum tension de claquage teneur en eau aciditeacute et gaz dissous) est agrave reacutealiser chaque anneacuteebull IsolementLa mesure de lrsquoisolement se fait classiquement par lrsquoappli-cation drsquoune tension continue Dans le cas de transforma-teurs immergeacutes le diagnostic est compleacuteteacute par lrsquoanalyse du dieacutelectrique liquide notamment au niveau des gaz dissous et de la tangente deltabull Niveaux et symeacutetrie des tensionsLe critegravere de qualiteacute drsquoune alimentation eacutelectrique se traduit par une symeacutetrie des tensions sur les trois phases Une dis-symeacutetrie peut ecirctre le reflet drsquoune anomalie au niveau des enroulements ou des connexions La mesure des rapports de transformation et des courants magneacutetisants permettent de valider cette hypothegravesebull Bruits ndash vibrationsCrsquoest un paramegravetre tregraves subjectif qui neacutecessiterait de faire un constat initial agrave la premiegravere mise en service neacuteanmoins le niveau de bruit garanti est donneacute par les valeurs norma-tives ou les exigences clientEn pratique il est freacutequent de constater un accroissement significatif du niveau de bruit lorsque le transformateur est parcouru par des courants harmoniques dont certaines freacutequences sont aiseacutement perceptibles par lrsquooreille humaine Ainsi les harmoniques de courants de rang 3 (150 Hz) de rang 5 (250 Hz) et de rang 7(350 Hz) ont des amplitudes importantes et des freacutequences audiblesEnfin il est possible que des reacutesonances meacutecaniques appa-raissent au niveau du transformateur et de son environne-ment en raison de son implantationbull Relais de protection- Veacuterification du bon fonctionnement de cette surveillance- Peacuteriodiciteacute annuelle

bull Mesure des tempeacuteratures- Neacutecessite par exemple de faire des mesures par cameacutera

infrarouge le transformateur eacutetant sous tension et en charge cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Permet de deacuteceler des points chauds signe de desserrement de connexions ou de surcharges des cacircbles

- Peacuteriodiciteacute annuellebull Suivi de la charge en fonction de lrsquoeacutevolution de lrsquoinstallation- Neacutecessite la mise en place drsquoun eacutequipement de controcircle

capable de mesurer les grandeurs puissance tension courant et harmoniques Cette opeacuteration ne peut ecirctre reacutealiseacutee que par des techniciens qualifieacutes et habiliteacutes

- Preacutevient des problegravemes thermiques et de distorsions anormales de la tension et du courant

52 La reacuteparation des transformateursLa reacuteparation peut porter sur

bull la remise agrave neuf du traitement de surface (peinture et traitement anticorrosion de la cuve)

bull le remplacement des joints

bull le remplacement ou le traitement du dieacutelectrique

bull le rebobinage des enroulements (cas exceptionnel)

Les transformateurs de distribution immergeacutes sont des eacutequipements tregraves robustes et fiables leur dureacutee de vie dans les conditions normales est de lrsquoordre de 30 ans Si les reacuteparations surviennent suite agrave une anomalie grave il convient de veacuterifier srsquoil nrsquoest pas preacutefeacuterable de le remplacer par un transformateur neuf agrave pertes reacuteduites En effet le rebobinage drsquoun transformateur immergeacute est une opeacuteration complexe qui neacutecessite la vidange du dieacutelectrique liquide le deacutecuvage le deacutemontage de la partie active le rebobinage des enroulements le reacuteassemblage de la partie active le remplissage sous vide et les controcircles finaux

ARE

VA

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 20: Ademe Transfo WEB

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

18 19

6 Autres eacuteleacutements concernant les transformateurs agrave pertes reacuteduites

61 Caracteacuteristique thermique

Les transformateurs ont des caracteacuteristiques thermiques identiques quelque soient leurs niveaux de perte et quelque soit leur puissance Lrsquoeacutechauffement est uniquement lieacute agrave la charge et aux conditions environ-nementales drsquoexploitation

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires

Les niveaux de bruit mentionneacutes dans les documents normatifs montrent une diffeacuterence importante entre transformateurs dits de base (E0Dk) et transformateurs agrave pertes reacuteduites (A0Ak)La reacuteduction des pertes agrave vide se fait principalement par une reacuteduction de lrsquoinduction magneacutetique Le niveau de bruit est principalement lieacute agrave la surface du cycle drsquohysteacutereacutesis des mateacuteriaux magneacutetiques elle-mecircme directement lieacutee agrave lrsquoinduction Lrsquoeacutecart entre un transformateur agrave pertes agrave vide de type E0 et un transformateur agrave pertes agrave vide de type A0 varie de 15 dB(A) pour les petites puissances jusqursquoagrave 18 dB(A) pour les trans-formateurs de plus grande puissance (tableau 3 de la NF EN 50464-1) sachant qursquoune diminution de 3 dB(A) eacutequivaut agrave diviser par 2 le niveau de perception par lrsquooreille humaine du bruit

61 Caracteacuteristique thermique 19

62 Caracteacuteristiques acoustiques et vibratoires 19

11 Cette disposition nrsquoest pas applicable aux transformateurs de distribution des reacuteseaux publics

SIEM

ENS

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7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 21: Ademe Transfo WEB

7 Conclusion

Les transformateurs de distribution sont preacutesents dans lrsquoensemble des reacuteseaux eacutelectriques et geacutenegraverent des pertes dont le coucirct est preacutepondeacuterant et doit ecirctre inclus dans le calcul du coucirct global de lrsquoinvestissement

bull Bien choisir un transformateurLes pertes des transformateurs se divisent en deux types de pertes

- les pertes agrave vide (P0)- les pertes dues agrave la charge (Pk)

Pour chaque type de transformateurs (immergeacutes sec) des normes indiquent les niveaux des diffeacuterentes pertes

bull Lrsquoachat drsquoun transformateurLe calcul en coucirct global prendra en compte agrave la fois le coucirct drsquoachat le coucirct de fonctionnement et le coucirct des pertesLe meacutecanisme des Certificats drsquoEconomies drsquoEnergie (CEE) peut aussi aider agrave financer lrsquoachat de transformateurs

bull Bien utiliser un transformateurUn transformateur sous-chargeacute consomme des pertes agrave vide inutilesUn transformateur pregraves de sa charge nominale consomme des pertes dues agrave la charge eacuteleveacuteesLe maximum de rendement drsquoun transformateur se situe geacuteneacuteralement entre 40 et 60 de sa charge nominale mais deacutepend drsquoautres para-megravetres (charge cos ϕ tempeacuterature ambiantehellip)

bull Conseacutequences des courants harmoniquesLes courants harmoniques ont des reacutepercussions dommageables pour les transformateurs ils augmentent les pertes dues agrave la charge les tempeacuteratures de fonctionnement et reacuteduisent la dureacutee de vie du transformateur

Lrsquoeffet des courants harmoniques peut ecirctre calculeacute avec le facteur K appeleacute aussi facteur de deacuteclassement

bull La maintenanceSurveiller et entretenir les transformateurs permet leur fonctionnement normal sur leur dureacutee de vie escompteacutee

bull Bien choisir un transformateur

bull Lrsquoachat drsquoun transformateur

bull Bien utiliser un transformateur

bull Conseacutequences des courants harmoniques

bull La maintenance

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8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

12

  • Signet 1
Page 22: Ademe Transfo WEB

8 Annexes

Les extraits des normes

- NF EN 50464-1 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribu-tion immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50541-1 ndash Deacutecembre 2011 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution de type sec 50 Hz de 100 kVA agrave 3 150 kVA avec une tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 1 prescriptions geacuteneacuterales raquo

- NF EN 50464-3 ndash Aoucirct 2007 laquo Transformateurs triphaseacutes de distribution immergeacutes dans lrsquohuile 50 Hz de 50 kVA agrave 2 500 kVA de tension la plus eacuteleveacutee pour le mateacuteriel ne deacutepassant pas 36 kV - Partie 3 deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux raquo

sont reproduits avec lrsquoaccord drsquoAFNOR Seuls les textes originaux et complets des normes telles que diffuseacutees par AFNOR Editions - accessibles via le site internet wwwboutiqueafnororg - ont valeur normative

81 Annexe 1 - Normes sur les pertes et le bruit

Transformateurs immergeacutes

81 Annexe 1 Normes sur les pertes et le bruit 21

82 Annexe 2 Facteur K 23

821 Deacutetermination du facteur K 23

822 Exemple de calcul du facteur K 23

83 Annexe 3 Eleacutement de technologie 24

831 Les technologies traditionnelles 24

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes 24

84 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences 24

841 Publications geacuteneacuterales 24

842 Reacutefeacuterence speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs 24

Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

20 21

Puis-sanceassi-gneacutee

E0 D0 C0 B0 A0

Impeacute-dance

de cours- circuit

kVAP0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA P0 LWA

W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A) W dB(A)

50 190 55 145 50 125 47 110 42 90 39

4

100 320 59 260 54 210 49 180 44 145 41

160 460 62 375 57 300 52 260 47 210 44

250 650 65 530 60 425 55 360 50 300 47

315 770 67 630 61 520 57 440 52 360 49

400 930 68 750 63 610 58 520 53 430 50

500 1 100 69 880 64 720 59 610 54 510 51

630 1 300 70 1 030 65 860 60 730 55 600 52

630 1 200 70 940 65 800 60 680 55 560 52

6

800 1 400 71 1 150 66 930 61 800 56 650 53

1 000 1 700 73 1 400 68 1 100 63 940 58 770 55

1 250 2 100 74 1 750 69 1 350 64 1 150 59 950 56

1 600 2 600 76 2 200 71 1 700 66 1 450 61 1 200 58

2 000 3 100 78 2 700 73 2 100 68 1 800 63 1 450 60

2 500 3 500 81 3 200 76 2 500 71 2 150 66 1 750 63

Pertes agrave vide P0(W) et niveau de puissance acoustique (L

WA) pour U le 24 kV

(selon la norme NF EN 50464-1)

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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

6808

Jui

n 20

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  • Signet 1
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Pertes dues agrave la charge agrave 75degC pour Um le24 kV selon la norme NF EN 50464-1

Puissance assigneacutee

Dk Ck Bk Ak

Impeacutedance de court-circuit

kVA W W W W

50 1 350 1 100 875 750

4

100 2 150 1 750 1 475 1 250 160 3 100 2 350 2 000 1 700250 4 200 3 250 2 750 2 350

315 5 000 3 900 3 250 2 800

400 6 000 4 600 3 850 3 250

500 7 200 5 500 4 600 3 900

630 8 400 6 500 5 400 4 600

630 8 700 6 750 5 600 4 800

6

800 10 500 8 400 7 000 6 000

1 000 13 000 10 500 9 000 7 600

1 250 16 000 13 500 11 000 9 500

1 600 20 000 17 000 14 000 12 000

2 000 26 000 21 000 18 000 15 000

2 500 32 000 26 500 22 000 18 500

Pertes dues agrave la charge pertes agrave vide et niveau de puissance acoustique selon la norme NF EN 50541-1Tension assigneacutee U

M le 24 kV et tension de court circuit = 6

Puissance assigneacutee

kVA

Perte dues agrave la charge (Pk) agrave 120degC

Perte agrave vide (P0) niveau de puissance acoustique (Lw(A))

Ak Bk A0 B0 C0

kVA W W W dB(A) W dB(A) W dB(A)

100 1 800 2 050 280 51 340 51 460 59

160 2 600 2 900 400 54 480 54 650 62250 3 400 3 800 520 57 650 57 880 65400 4 500 5 500 750 60 940 60 1 200 68

630 7 100 7 600 1 100 62 1 250 62 1 650 70

800 8 000 9 400 1 300 64 1 500 64 2 000 72

1 000 9 000 11 000 1 550 65 1 800 65 2 300 73

1 250 11 000 13 000 1 800 67 2 100 67 2 800 75

1 600 13 000 16 000 2 200 68 2 400 68 3 100 76

2 000 16 000 18 000 2 600 70 3 000 70 4 000 78

2 500 19 000 23 000 3 100 71 3 600 71 5 000 81

3 150 22 000 28 000 3 800 74 4 300 74 6 000 83

Transformateurs de type secs

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

ADEME20 avenue du GreacutesilleacuteBP 90406 l 49004 Angers Cedex 01

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Transformateur de distribution et eacuteconomies drsquoeacutenergie

22 23

822 Exemple de calcul du facteur K

Pour trois hypothegraveses de spectre habituellement utiliseacutees pour les reacuteseaux triphaseacutes industriels

a) Spectre de base des courants harmoniques Ih = I1h

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 2000 1429 909 769 588 526 435 400 10413 2904 1116

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 1895 1101 592 477 341 297 235 212 10280 2385 1059

b) Spectre selon norme IEC 60146-1-2 Ih = I1(h ndash 5h)12

I1A

I5A

I7A

I11

AI13

AI17

AI19

AI23

AI25

AIeff

ATHD-I

K

100 3500 1700 700 350 280 150 150 090 10765 3985 1101

c) Spectre selon mesures effectueacutees sur variateur de vitesse standard (6 pulses + self 3 )

Un facteur K de 1116 signifie qursquoun transformateur de 1 000 kVA chargeacute par des courants harmoniques (selon lrsquo hypothegravese a) dispose drsquoune puissance utilisable de 10001116 = 896 kVA sans risque drsquoeacutechauffement anormal

La norme CEI 60076-16 donne des exemples calculeacutes drsquoaccroissement des pertes suppleacutementaires et de leurs conseacutequences sur les pertes dues agrave la charge et les eacutechauffements reacutesultant

82 Annexe 2 - Facteur K

La norme NF EN 50464-3 permet la deacutetermination de la caracteacuteristique de puissance drsquoun transformateur avec des courants de charge non sinusoiumldaux Elle preacutesente le facteur K (Factor K en anglais) meacutethode utiliseacutee en Europe

821 Deacutetermination du facteur K

La deacutemarche fondamentale est de limiter lrsquoeacutechauffement du transformateur neacuteanmoins il ne srsquoagit pas de calculer lrsquoaccroissement des pertes donc lrsquoeacuteleacutevation de tempeacuterature mais de quantifier le taux de deacuteclassement du transforma-teur en fonction du spectre harmoniqueLa norme NF EN 50464-3 fournit les eacuteleacutements de calcul du facteur K selon la formule et les deacutefinitions suivantes

K = [ 1 + e1 + e

I1I( )2

sum n qn = N

n = 2( In

I1)2 ]

1-2

Ougrave

e les pertes par courants de Foucault dues au courant sinusoiumldal agrave la freacutequence fondamentale (par exemple 50 Hz) diviseacutees par les pertes dues agrave un courant continu eacutegal agrave la valeur efficace du courant sinusoiumldal toutes les deux agrave la tempeacuterature de reacutefeacuterence

n harmonique de rang

I valeur efficace du courant sinusoiumldal et dans lrsquoautre cas du courant non sinusoiumldal contenant tous les harmoniques donneacutee par

In la niegraveme harmonique (amplitude ou valeur efficace)

Il le courant fondamental (amplitude ou valeur efficace)

q constante exponentielle qui deacutepend du type drsquoenroulements et de la freacutequence

Cependant les valeurs de constantes suivantes peuvent ecirctre utiliseacutees comme approximation et comme guide

17 pour les transformateurs avec des fils de sections rectan-gulaires ou circulaires agrave la fois pour les enroulements basse tension et pour les enroulements haute tension

15 pour les transformateurs ayant des enroulements agrave feuilles basse tension

I = [= I1( )sum In2

n = N

n =1sumn = N

n =1( In

I1)2 ]

1-2

1-2

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

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83 Annexe 3 - Eleacutements de technologie

831 Les technologies traditionnellesDes progregraves significatifs ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur le rendement des transformateurs durant ces 40 derniegraveres anneacutees

bull Les regraveglementations nationales ont fait baisser les niveaux de pertes dues agrave la charge drsquoenviron 30 agrave 50

bull Les pertes agrave vide ont diminueacute quant agrave elles drsquoun facteur 3 agrave 4 par lrsquoameacutelioration de lrsquoacier utiliseacute dans le circuit magneacutetique

Les ameacuteliorations des caracteacuteristiques des transformateurs ont eacuteteacute possibles par des eacutevolutions technologiques majeures portant principalement sur

bull la qualiteacute de lrsquoacier utiliseacute pour le circuit magneacutetique reacuteduction des pertes agrave vide

bull la conception des bobines reacuteduction des pertes dues agrave la charge

bull lrsquoameacutelioration des isolants solides papiers (maicirctrise des contraintes eacutelectriques)

bull le haut degreacute de raffinage des dieacutelectriques liquides (pouvoir calorifique et distances drsquoisolement)

La qualiteacute de lrsquoacier est essentielle dans la conception des circuits magneacutetiques pour en limiter les pertes agrave vide - Les recherches sur les mateacuteriaux magneacutetiques ont

permis de muter il y a 50 ans environ de lrsquoacier lamineacute agrave chaud (GNO) vers de lrsquoacier au silicium agrave grains orienteacutes lamineacute agrave froid (CGO) Les deacuteveloppements reacutecents ont abouti agrave la creacuteation de tocircles magneacutetiques agrave haute permeacuteabiliteacute

- Un traitement laquo laser raquo compleacutementaire permet lrsquoameacute-lioration interne de la tocircle magneacutetique et une reacuteduction des caracteacuteristiques speacutecifiques de la tocircle magneacutetique et une nouvelle reacuteduction des pertes agrave vide La com-binaison drsquoeacutepaisseur fine (tregraves infeacuterieure agrave 03 mm) de mateacuteriaux agrave haute permeacuteabiliteacute et le traitement laquo laser raquo conduit aux pertes les plus basses pour ce type de technologie

Lrsquoaugmentation de la section du circuit magneacutetique permet de reacuteduire le flux ce qui diminue les pertes agrave vide

- Les acieacuteristes historiques travaillent agrave lrsquoameacutelioration des performances de lrsquoacier magneacutetique agrave grains orienteacutes Drsquoautres fournisseurs proposent des tocircles amorphes Les deux techniques permettent une ameacutelioration signifi-cative des performances eacutenergeacutetiques des transformateurs

La reacuteduction des pertes dues agrave la charge

- Lrsquoaugmentation de la section des conducteurs composant les spires permet de diminuer la densiteacute de courant donc les pertes dues agrave la charge

- De mecircme la conception des enroulements et les progregraves reacutealiseacutes dans lrsquoisolation permettent drsquooptimiser les bobinages drsquoaugmenter les eacutechanges thermiques entre les diffeacuterents composants des enroulements et de reacuteduire les dimensions des parties actives en consideacuterant les pertes dues agrave la charge constantes

832 Les technologies innovantes les mateacuteriaux amorphes

Les meacutetaux amorphes diffegraverent fortement des alliages cristallins traditionnels par leurs caracteacuteristiques magneacutetiques et meacutecaniques et par lrsquoeacutepaisseur du mateacuteriau La technologie de reacutealisation des circuits magneacutetiques employant les tregraves minces feuilles de meacutetaux amorphes est totalement diffeacuterenteLes transformateurs en mateacuteriaux amorphes repreacutesentent environ 5 du marcheacute mondial soit environ 3 millions de transformateurs monophaseacutes (de quelques dizaines de kVA) et quelques milliers de transformateurs triphaseacutes principalement sur les marcheacutes ameacutericains et asiatiquesIls reacuteduisent les pertes agrave vide de 50 par rapport agrave un niveau de pertes agrave vide A0 Leur coucirct de fabrication est cependant nette-ment supeacuterieur agrave celui des transformateurs traditionnels agrave haute efficaciteacute

85 Annexe 4 Pour aller plus loin quelques reacutefeacuterences

851 Reacutefeacuterences geacuteneacuterales

bull Pour des renseignements sur les certificats drsquoeacuteconomies drsquoeacutenergie wwwdeveloppement-durablegouvfr et Guide ADEME CEE Reacutef 7161 (teacuteleacutechargeable sur wwwademefrpublications)

bull Pour le traitement des PCB wwwdeveloppement-durablegouvfrpcb

bull Pour des renseignements sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie en geacuteneacuteral wwwademefreconomies-energie

bull Pour des renseignements sur les normes wwwafnororg

852 Reacutefeacuterences speacutecifiques aux eacuteconomies drsquoeacutenergie des transformateurs

bull Le site du projet europeacuteen SEEDT wwwseedtntuagr

bull Lrsquoeacutetude preacuteparatoire VITO pour la directive ErP pour les transformateurs de distribution wwwecotransformerorg

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Lrsquoademe en bref

LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

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LrsquoAgence de lrsquoEnvironnement et de la

Maicirctrise de lrsquoEnergie (ADEME) participe agrave

la mise en œuvre des politiques publiques

dans les domaines de lrsquoenvironnement

de lrsquoeacutenergie et du deacuteveloppement durable

Afin de leur permettre de progresser dans

leur deacutemarche environnementale lrsquoagence

met agrave disposition des entreprises des

collectiviteacutes locales des pouvoirs publics et

du grand public ses capaciteacutes drsquoexpertise et

de conseil Elle aide en outre au financement

de projets de la recherche agrave la mise en

œuvre et ce dans les domaines suivants

la gestion des deacutechets la preacuteservation des

sols lrsquoefficaciteacute eacutenergeacutetique et les eacutenergies

renouvelables la qualiteacute de lrsquoair et la lutte

contre le bruit

LrsquoADEME est un eacutetablissement public

sous la tutelle du ministegravere de lrsquoeacutecologie

du deacuteveloppement durable et de lrsquoeacutenergie

et du ministegravere de lrsquoenseignement supeacuterieur

et de la recherche

LrsquoADEME preacutesente un guide sur les eacuteconomies drsquoeacutenergie pour les trans-formateurs de distribution qui sont des eacuteleacutements essentiels des reacuteseaux eacutelectriques

Afin que le lecteur srsquoapproprie les bonnes pratiques eacutenergeacutetiques lors de lrsquoachat lrsquoutilisation et la maintenance des transformateurs ce guide - deacutecrit les diffeacuterentes pertes existantes et lrsquoinfluence des charges- donne des eacuteleacutements pour estimer le coucirct des pertes- fournit les eacuteleacutements normatifs concernant les transformateurs de distribution

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