Technologies des transformateurs Pour le raccordement au réseau des éoliennes, le courant produit doit être transformé en moyenne tension par un transformateur élévateur de distribution. Ce transformateur peut être installé à l’extérieur des éoliennes dans une sous-station ou sur une dalle de béton. Pour une installation à l’intérieur de la tour ou dans la nacelle, les fabricants d’éoliennes ont le choix entre les transformateurs secs et les transformateurs refroidis par liquide à haute température. On utilise déjà les transformateurs secs dans les éoliennes en raison de leur comportement au feu et leurs dimensions compactes. Récemment, on a mis au point des transformateurs à refroidissement liquide à haute température, tels que les SLIM®, utilisant un liquide ignifuge pour les éoliennes multi-mégawatts en raison de leur compacité, de leurs performances et de leur grande fiabilité. Le système d’isolation fait appel à un liquide silicone et à du NOMEX®, une fibre isolante résistant aux températures élevées.

Caractéristiques fonctionnellesLes caractéristiques électriques fonctionnelles des deux technologies sont les mêmes et les deux technologies peuvent répondre aux exigences nécessaires pour une éolienne multi-mégawatt : une basse tension, une tension élevée, la puissance, l’impédance, les pertes en charge, les pertes à vide. Le concept à température élevée présente des avantages supplémentaires :> En moyenne, les pertes à vide des transformateurs à refroidissement liquide sont

50 % plus basses, ce qui permet des économies significatives.> Avec les produits isolants résistant aux températures élevées, les nouveaux trans-

formateurs peuvent être nettement plus compacts et offrir une fiabilité thermique accrue.

> Exemple : transformateur élévateur 4MVA SLIM® avec 2 tensions basses 3300V et 690V, une haute tension de 33kV à des dimensions suivantes : Lxlxh : 2800 x 1400 x 2100 mm. Les pertes en charge peuvent descendre à 23 kW et les pertes à vide à 6 kW.

Conditions d’exploitationDans une éolienne, l’environnement électrique d’un transformateur élévateur est aussi différent :> Davantage de surtensions de manœuvre avec des surtensions transitoires rapides

dans les enroulements et des chutes de tension du système;> Un résidu harmonique plus élevé;> Une surinduction due à des variations de tension et de fréquence.

Avec les transformateurs utilisant des systèmes d’isolation ouverts comme les transformateurs secs, on recommande un filtrage et un séchage de l’air de refroi-dissement ainsi qu’une maintenance périodique surtout dans les environnements humides et salins.

> Pour les installations dans la nacelle, des vibrations avec une plage de fréquence de 5 à 250 Hz. Eu égard à toutes ces contraintes, les fabricants de transformateurs considèrent comme plus fiables les transformateurs à refroidissement liquide.

Évaluation des risques et normesLes probabilités d’une panne de transformateur sont très faibles. Cette affirmation est amplement justifiée par notre expérience (plus de 10.000 transformateurs installés dans des éoliennes), les informations en retour et les évaluations des utilisateurs dans le monde. Les temps moyens entre pannes pour les transformateurs à refroidissement liquide dépassent les 500 ans.

L’International Standard CEI 60695-1-40 « Essais relatif aux risques du feu - Lignes directrices pour l’évaluation des risques du feu des produits électrotechniques - isolants liquides » confirme la bonne tenue au feu des transformateurs à refroidisse-ment liquide et que les incidents sont très rares. Les transformateurs conventionnels

Comportement au feu des transformateursLes défis des transformateurs élévateurs et des sous-stations fiables pour les éoliennes multi-mégawatts

t°

20’ 40’ temps feu rayonnement + rayonnement

Profil de température appliquée au transformateur par une exposition au feu et à un rayonnement thermique

Transformateur ignifuge : n’a pas participé à l’incendie

Le transformateur a participé partiellement à l’incendie, le feu s’est éteint lentement

Transformateur non ignifuge : participe grandement à l’incendie, le feu ne s’éteint pas

> Transformateur à refroidisse-ment liquide à haute tempéra-ture après l’essai au feu.

> Transformateur sec après l’essai au feu.

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> Transformateur sec soumis au feu et au rayonnement de panneaux thermiques après 2 min.

> Après 40 min. pas de chaleur externe générée. Le transformateur continue de brûler pendant plus d’une heure.

> Transformateur à refroidissement liquide à haute température après 6 min. Les grandes flammes s’expliquent par l’absence d’air entre les ailettes de refroidissement et l’alcool brûle au-dessus des ailettes de refroidissement.

> Après 15 min. Seul l’alcool brûle. Plus tard, le feu s’éteint.

Transformateur sec

Transformateur à refroidissement liquide à haute température

utilisent une huile minérale O1 liquide (liquide ayant un point de feu < 300°C et une valeur calorifique nette > 42 MJ/kg). Les transformateurs SLIM® utilisent un liquide silicone et sont classés dans la catégorie K3 (liquide ayant un point de feu > 300°C et une valeur calorifique nette < 32 MJ/kg). Le guide CEI indique que les risques d’incendie résultant des transformateurs à refroidissement liquide de la classe K (comme un silicone) sont nuls. Rappelons que 150.000 transformateurs de ce type sont en service depuis la fin des années ‘70. Dans le cas d’un transformateur sec, le comportement au feu est classé F0 ou F1 selon la norme Cenelec EN 60076-11 pour laquelle un essai est réalisé avec une série d’enroulements basse et haute tension.

Essai au feu grandeur nature avec des transformateurs élévateursDeux transformateurs ont fait l’objet d’essais chez Ineris, en France, à savoir un transformateur enrobé de résine 1MVA 20kV 400 V ayant des propriétés au feu F1 et un transformateur 1.1MVA 10kV 400V SLIM®.

Les transformateurs ont été placés dans un environnement thermique agressif caractérisé par un feu à l’alcool brûlant sous les transformateurs pendant 20 minutes et le rayonnement de deux panneaux sur les parois latérales pendant 40 minutes d’une capacité thermique de 30 kW/m2. Remarquez que cet essai utilise les mêmes conditions que la norme, mais la norme se limite à un enroulement d’un transforma-teur sec. Le profil de température et les caractéristiques d’auto-extinction déterminent la classification de sécurité incendie.

Évaluation du transformateur secAprès démarrage du feu et des panneaux rayonnants, le transformateur a commencé à se consumer et à dégager de la fumée après six minutes. La température du feu ex-terne était de 400°C tandis que la température de l’enroulement central était comprise entre 800 et 870 °C après 8 minutes. Cette température a baissé doucement à 700°C à la fin du rayonnement et à continué de baisser jusqu’à 400°C, le transformateur continuant de se consumer pendant plus d’une heure et produisant une épaisse fumée noire.

Évaluation des transformateurs SLIM® et Bio-SLIM®

Le transformateur refroidi par liquide à haute température a été exposé aux mêmes conditions de feu et de rayonnement thermique. La chaleur générée s’est traduite par des températures externes de 500 - 600°C et des températures internes de 260°C. Suite à la dilatation thermique du liquide, la pression est montée à 1,6 bar sans entraîner une rupture de la cuve. L’extérieur du transformateur n’a pas subi des dommages importants. Le transformateur n’a pas contribué au feu externe. Pour ouvrir le transformateur et constater des effets, il faudrait le soumettre à un feu plus intense. Néanmoins, on peut s’attendre à l’apparition de petites fuites sans rupture de la cuve.

Conclusions> Différentes technologies de transformateurs sont disponibles pour les éoliennes

multi-mégawatts.> Les dimensions, les pertes, la fiabilité (MTBF), la protection, l’environnement

électrique sont des éléments importants car les conditions d’exploitation dans une éolienne sont exigeantes !

> Le comportement au feu des transformateurs secs et des transformateurs à refroi-dissement liquide à haute température est comparable.

> Une protection et une prévention appropriées sont toujours nécessaires indépen-damment de la technologie du transformateur.

> D’autres composants des éoliennes subissent aussi une exposition au feu (nacelle, pale, câbles, isolation de la génératrice, huile du boîtier d’engrenages).

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