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Les enroulements

Généralités

Les enroulements de transformateurs sont faits principalement de cuivre, et ils sont isolés généralement avec du papier. Il existe aussi des enroulements en aluminium.

Le cuivre a rendu possible une grande partie de l'industrie électrique actuelle car, en plus de ces excellentes propriétés mécaniques, le cuivre possède la plus haute conductivité des métaux commerciaux. Son importance dans les transformateurs est particulièrement significative due aux bénéfices importants sur la sauvegarde de place et de minimisation des pertes en charge par rapport à d'autres métaux.

Un transformateur est défini par un rapport de transformation correspondant au rapport de ses niveaux de tensions. Par convention ce rapport est supérieur ou égal à 1 et est donc défini par :

r = haute tension / basse tension

Ce rapport est électriquement obtenu par le rapport du nombre de spires constituant chaque enroulement (haute et basse tension).

Exemple :

Pour un transformateur de 220 kV / 20 kV, son rapport de transformation est de

r = 220 / 20 = 11

Ce qui implique que si l'enroulement basse tension possède

N1 = 100 spires

l'enroulement haute tension aura

N2 = N1 x r = 100 x 11 = 1 100 spires

Technologies de bobinages

Pour réaliser un enroulement de transformateur d'une tension nominale donnée et d'un nombre de spires défini, deux technologies de bobinages sont réalisables : cuirassé ou colonne.

Chacune d'elle est caractérisée par sa configuration d'enroulements par rapport au circuit magnétique. La technologie dite cuirassé consiste à disposer les bobines au centre du circuit magnétique. Dans la technologie colonne, c'est l'inverse.

Chaque technologie tient les contraintes qui lui sont définies dans le cahier des charges. Le choix de l'une ou l'autre des technologies de bobinages relèvera souvent du constructeur.

Chacune d'elle a ses avantages qui peuvent être :

> un gain de place (cuirassé)

> une meilleure tenue au court-circuit (cuirassé)

> un meilleur refroidissement (couches)

> une meilleure tenue au choc de foudre (couches)

> une (relative) facilité de réalisation et bonne tenue diélectrique (galettes)

TSV est capable de rebobiner tout type d'enroulements de par son savoir faire, son expérience et son outil industriel qui on été pérennisés depuis 1922 !

Cuirassé : généralités

Dans la technologie cuirassé le circuit magnétique entoure les bobinages haute et basse tensions d'une phase donnée, comme sur la figure ci dessous.

Dans ces transformateurs cuirassés les chemins de retour du flux magnétique à travers le circuit magnétique sont externes et entourent les bobinages. Grâce à son excellent arrangement de l'écrantage magnétique le transformateur cuirassé correspond particulièrement bien à la fourniture de basse tension et fort courant, comme par exemple dans le cas de transformateurs de fours à arcs.

Cette technologie est particulièrement compacte par rapport à la technologie colonne. Cependant elle requière une certaine expérience et beaucoup de main d'oeuvre quant à la construction des bobinages et à l'assemblage des tonnes de circuit magnétique.

Historiquement les américains avec Westinghouse construisaient des transformateurs cuirassés. En France, la plupart des transformateurs de puissance Jeumont Schneider Transformateurs (JST) sont de ce type. Quelques autres constructeurs fabriquent encore de nos jours des transformateurs cuirassés comme ABB ou Mitsubishi.

Colonne : généralités

Les transformateurs à colonnes ont leur chemins de retour du flux magnétique qui passent dans des jambes de circuit magnétique qui sont entourées concentriquement par les enroulements principaux, comme sur la figure ci dessous.

Dans un transformateur triphasé il y a une jambe de circuit magnétique par phase électrique. Ce type de transformateur est particulièrement répandu dans le monde pour tout type d'application.

Dans la technologie à colonne il y a principalement deux techniques de bobinages qui sont :

> le bobinage en couches

> le bobinage en galettes

Colonne : en couches

Dans ce type d'enroulement les spires sont roulées axialement en longues couches concentriques, comme sur le schéma ci dessous.

Un des avantages de cette construction est sa bonne répartition, par capacité, des chocs de foudre le long des spires. En revanche un des points à prendre en compte est que sur l'épaisseur d'une bobine on obtient la pleine tension de l'enroulement considéré. Ceci implique de bien isoler électriquement les couches entre elles.

Par construction l'huile peut relativement facilement passer de bas en haut à travers ces enroulements. Cela favorise leurs refroidissement et les systèmes à huile naturelle (ONAN, ONAF) sont particulièrement bien adaptés.

Les enroulements en couches sont en général sur les enroulements haute tension, et historiquement l'usine de fabrication Alstom Saint-Ouen a construit un grand nombre de transformateurs de ce type.

Colonne : en galettes

Dans ce type d'enroulement les spires sont roulées radialement en galettes connectées en série, comme sur le schéma ci dessous.

De par la construction des enroulements en galettes la pleine tension de l'enroulement est répartie sur toute la hauteur de la bobine, à contrario de l'enroulement en couches où la tension de l'enroulement est à tenir dans l'épaisseur du bobinage. Ainsi les précautions d'isolation à tenir sont moins contraignantes que la longue couche.

De façon générale les enroulements en galettes ont un facteur de remplissage de l'espace important.

Classiquement un seul conducteur est roulé pour réaliser l'ensemble de l'enroulement, ce qui est « relativement » simple à mettre en oeuvre.

Pour améliorer la répartition des contraintes électriques, des chocs de foudre principalement, d'autres façons de rouler ou connecter les conducteurs ont été mises en oeuvre.

Les enroulements en galettes les plus classiques étant :

> les galettes simples

> les galettes à spires entrelacées

> les galettes inter écran