Quelle est la fonction du noyau dans un transformateur immergé dans l’huile ?

Dans le système électrique, le transformateur immergé dans l’huile est un dispositif électrique clé utilisé pour réaliser la conversion de puissance entre différents niveaux de tension. Dans la structure interne du transformateur, le noyau de fer est l’un des composants essentiels qui déterminent ses performances, son efficacité et sa stabilité.

1. La fonction de base du noyau de fer
La fonction principale du transformateur immergé dans l'huile déchiré consiste à transférer la puissance entre l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire grâce au principe de l'induction électromagnétique. Le noyau de fer est le milieu clé de ce processus de conversion d’énergie.

1. Fournir un chemin de flux magnétique
La fonction principale du noyau de fer est de fournir un canal à faible résistance magnétique pour le flux magnétique du transformateur. Lorsque le courant traverse l'enroulement primaire, un champ magnétique alternatif est généré et ces flux magnétiques traversent le noyau de fer et induisent une tension dans l'enroulement secondaire. L'existence du noyau de fer améliore considérablement l'efficacité du couplage magnétique.

2. Réduire les pertes d’énergie
Par rapport à l'air, la perméabilité magnétique du matériau du noyau de fer (tel que la tôle d'acier au silicium laminée à froid) est beaucoup plus élevée, ce qui peut concentrer efficacement le flux magnétique et réduire le phénomène magnétique de fuite, réduisant ainsi considérablement la perte d'énergie et améliorant l'efficacité du transformateur.

3. Stabilité de la structure de support
Le noyau de fer n’est pas seulement un chemin de flux magnétique, mais aussi une structure de support mécanique pour l’ensemble du bobinage. Il peut résister à la force électromagnétique lors d'un court-circuit et maintenir la stabilité de la structure interne du transformateur.

2. Matériau et structure du noyau de fer

1. Sélection des matériaux
Le noyau de fer est généralement constitué de **tôles d'acier au silicium orientées laminées à froid (CRGO)** avec une perméabilité magnétique élevée et de faibles pertes. L'acier au silicium contient 2 à 3 % de silicium, ce qui peut augmenter considérablement la perméabilité magnétique et réduire les pertes par courants de Foucault.

2. Structure de stratification (stratification)
Afin de réduire les pertes par courants de Foucault (Eddy Current Loss), le noyau de fer n'est pas un bloc entier, mais est composé de couches de fines feuilles séparées par une peinture isolante. L'épaisseur typique est de 0,23 mm ou 0,27 mm.

3. Forme structurelle
Les formes courantes de transformateurs immergés dans l’huile à noyau de fer sont :

Structure du noyau (Type de noyau) : L'enroulement entoure le noyau de fer ;

Structure de coque (type coque) : le noyau de fer entoure l'enroulement ;

Structure triphasée à trois colonnes : couramment utilisée dans les transformateurs triphasés pour réduire la consommation de matériaux et d'énergie.

3. Propriétés électromagnétiques du noyau de fer et efficacité du transformateur
La qualité du noyau de fer affecte directement les performances du transformateur, notamment dans les aspects suivants :

1. Perte de base
Cela inclut la perte par hystérésis et la perte par courants de Foucault, qui sont les principales sources de perte lorsque le transformateur est déchargé. Des tôles d'acier au silicium de haute qualité peuvent réduire considérablement cette partie des pertes.

2. Problème de saturation du flux magnétique
Le noyau de fer a une certaine limite de transport de flux magnétique. Lorsque cette limite est dépassée (c'est-à-dire saturation magnétique), la tension induite ne changera plus de manière linéaire et provoquera un échauffement et une panne électrique. Par conséquent, une densité de flux magnétique raisonnable (généralement contrôlée entre 1,5 et 1,7 T) doit être prise en compte lors de la conception.

3. Contrôle magnétique des fuites
Les fuites de flux magnétique entraîneront une réduction de l'efficacité de l'induction, une surchauffe locale et même des interférences avec les équipements environnants. L'optimisation de la forme du noyau de fer et de la disposition des enroulements peut contribuer à réduire l'impact des fuites de flux magnétique.

4. Travail collaboratif du noyau de fer et du système de refroidissement immergé dans l'huile
Dans les transformateurs immergés dans l’huile, l’huile de transformateur joue à la fois un rôle isolant et est utilisée pour refroidir les composants générateurs de chaleur. Le noyau de fer génère beaucoup de chaleur en raison des changements fréquents du flux magnétique. L’huile de transformateur est donc nécessaire pour évacuer la chaleur.

L'huile s'écoule à travers l'espace du noyau, évacuant efficacement la chaleur ;

Améliorer l'efficacité du refroidissement grâce au système de circulation d'huile forcée ;

Assurer un contact et une isolation complets entre le noyau et le matériau d'isolation à l'huile.

5. Technologies clés dans la fabrication de base

1. Technologie de découpe et d’empilage
Les pièces centrales doivent être découpées avec précision pour garantir la cohérence géométrique. Le processus d'empilement utilise des technologies telles que le « step lap » et « l'empilement décalé » pour réduire efficacement la résistance magnétique et les espaces.

2. Conception anti-bruit
Le noyau générera du bruit en raison de l'effet magnétostrictif sous des champs magnétiques alternatifs à haute fréquence, appelé « bourdonnement ». Pour réduire le bruit, il faut :

Contrôlez strictement l'écart entre les noyaux ;

Utiliser une structure anti-vibration et des tampons huilés ;

Utilisez des « joints biseautés complets » ou un « chevauchement à 45° » pour réduire les vibrations.

6. Défauts courants et points de maintenance
Lors d'un fonctionnement à long terme, le noyau de fer peut présenter les problèmes suivants :

Surchauffe locale : peut être provoquée par un mauvais contact ou un court-circuit du noyau de fer ;

Noyau de fer desserré : provoque une augmentation du bruit et le support doit être serré ;

Décharge partielle ou panne : généralement causée par un défaut d'isolation ou une pollution par les hydrocarbures.

Les mesures préventives comprennent :

Mesure régulière de la température infrarouge pour vérifier la répartition de la température du noyau de fer ;

Analyse de la qualité de l'huile pour garantir la résistance de l'isolation ;

Détection de décharge partielle en ligne pour saisir l'état de fonctionnement.

En tant que composant central du transformateur immergé dans l’huile, le noyau de fer a plus de fonctions que la simple « conduction magnétique ». Il joue de multiples rôles tels que conduire le flux magnétique, réduire les pertes, soutenir les structures et améliorer la stabilité. C'est un facteur clé pour déterminer les performances, la durée de vie et la sécurité du transformateur. À mesure que le système électrique évolue vers la haute tension, la grande capacité, les économies d'énergie et la protection de l'environnement, le matériau et la conception du noyau de fer évoluent également constamment, fournissant une base solide pour le fonctionnement efficace du transformateur.