Comment le refroidissement ONAN évacue la chaleur d’un transformateur de puissance de poste électrique

Un transformateur de puissance ONAN de poste électrique peut dissiper une quantité importante de chaleur sans pompe à huile ni ventilateur de refroidissement. Son système de refroidissement repose sur un cycle passif continu : l’huile isolante absorbe la chaleur des enroulements et du noyau, remonte dans les passages internes et évacue cette chaleur à travers la cuve et les radiateurs vers l’air ambiant. En se refroidissant, l’huile retourne vers la partie inférieure du transformateur.

Pour les évaluateurs techniques, la question importante n’est pas simplement de savoir si ce cycle fonctionne. Il s’agit de déterminer si l’ensemble du parcours de transfert thermique permet de maintenir les températures des enroulements et de l’huile dans les limites spécifiées, compte tenu de la charge réelle, de la température ambiante et des conditions d’installation. Comprendre ce parcours facilite considérablement l’évaluation des caractéristiques de refroidissement, des rapports d’échauffement et des exigences du site.

Ce que signifie ONAN — et ce que cela ne signifie pas

ONAN signifie Oil Natural Air Natural (huile à circulation naturelle, air à circulation naturelle). La première paire de lettres décrit le fluide de refroidissement interne et son mode de circulation ; la seconde décrit le fluide de refroidissement externe et son mode de déplacement. Dans une configuration ONAN, l’huile circule naturellement à l’intérieur du transformateur, tandis que l’air se déplace naturellement autour des surfaces de refroidissement externes.

« Naturel » ne signifie pas que l’évacuation de la chaleur est incontrôlée ou fortuite. Les passages d’huile internes, la géométrie des radiateurs, la surface de refroidissement et les pertes admissibles du transformateur sont conçus conjointement pour atteindre des performances thermiques définies.

ONAN est également une désignation de refroidissement, et non une spécification complète du transformateur. Deux transformateurs présentant la même tension et le même classement ONAN peuvent différer considérablement par leurs pertes, leur échauffement, leur impédance, leur système d’isolation, leurs dimensions physiques et leur adéquation à un site donné.

Lorsqu’un transformateur possède un classement ONAN/ONAF, le mode ONAF utilise une ventilation forcée, généralement par ventilateurs, tandis que la circulation de l’huile reste naturelle. Le classement supérieur ne s’applique que dans les conditions de fonctionnement déclarées et lorsque les équipements de refroidissement requis sont disponibles. Un transformateur conçu uniquement pour fonctionner en ONAN n’obtient pas automatiquement un classement supérieur homologué si des ventilateurs sont ajoutés ultérieurement.

Suivre le parcours de la chaleur, des enroulements jusqu’à l’atmosphère

La chaleur provient des pertes électriques

Le noyau génère des pertes à vide dès que le transformateur est sous tension. Ces pertes dépendent principalement des conditions d’excitation, notamment de la tension et de la fréquence. Les pertes en charge apparaissent dans les enroulements et les autres composants conducteurs ; leur composante résistive augmente approximativement avec le carré du courant, la résistance évoluant également avec l’élévation de la température.

Par conséquent, une augmentation modeste du courant peut entraîner une hausse beaucoup plus importante de la chaleur générée dans les enroulements. Les courants harmoniques peuvent également accroître les pertes par courants de Foucault et les pertes supplémentaires. Les évaluateurs d’applications industrielles ou d’énergies renouvelables doivent donc examiner le profil de charge et la forme d’onde, et pas seulement la puissance apparente moyenne.

L’huile évacue la chaleur des surfaces internes

La chaleur traverse l’isolation des enroulements et les autres matériaux solides pour atteindre l’huile environnante. Lorsque l’huile se réchauffe, sa densité diminue. La poussée d’Archimède qui en résulte entraîne une circulation ascendante dans les passages disponibles autour des enroulements et du noyau.

L’huile plus froide et plus dense se déplace vers les zones inférieures, établissant une boucle de circulation. Ce phénomène est souvent appelé effet thermosiphon. Son intensité dépend de l’écart de température, de la hauteur verticale, des propriétés de l’huile et de la résistance hydraulique du parcours d’écoulement.

La géométrie interne est importante, car l’emplacement le plus chaud d’un enroulement n’est pas nécessairement celui où l’accès de l’huile est le meilleur. Les dimensions des canaux, les entretoises, la construction des enroulements et la répartition locale des pertes influent sur la capacité à évacuer efficacement la chaleur des zones critiques.

Les radiateurs transfèrent la chaleur à l’air en mouvement naturel

L’huile chaude atteint la partie supérieure de la cuve et pénètre dans les radiateurs raccordés, le cas échéant. La chaleur passe de l’huile à la paroi du radiateur, traverse le métal, puis se transmet à l’air ambiant. L’huile refroidie retourne par les raccordements inférieurs. Les parois de la cuve contribuent également à l’évacuation de la chaleur, et certaines conceptions de distribution utilisent des surfaces de refroidissement ondulées plutôt que des batteries de radiateurs séparées.

L’air au contact d’une surface chaude se réchauffe, devient moins dense et s’élève. De l’air plus frais le remplace par le bas. Le rayonnement thermique contribue également aux pertes de chaleur externes, bien que sa part dépende de la température de surface, de la finition et de l’environnement.

Le parcours complet du refroidissement est donc le suivant : enroulements et noyau → isolation et huile → métal de la cuve ou des radiateurs → air ambiant. Toute restriction sur ce parcours peut entraîner une hausse des températures de fonctionnement.

Pourquoi un grand radiateur ne dit pas tout

Une relation simplifiée utile est Q ≈ U × A × ΔT, où Q désigne la chaleur évacuée, U le coefficient global de transfert thermique, A la surface de refroidissement effective et ΔT l’écart de température moteur du transfert. Cette relation aide à comprendre la conception, mais ne suffit pas à calculer le classement d’un transformateur.

En général, une surface de refroidissement accrue est bénéfique. Cependant, des surfaces trop rapprochées peuvent gêner la circulation naturelle de l’air, et une surface externe supplémentaire ne peut pas compenser entièrement un refroidissement insuffisant d’une zone des enroulements. De même, l’augmentation de la température de l’huile accroît l’écart de température disponible pour l’évacuation de la chaleur, mais réduit la marge thermique et peut accélérer le vieillissement de l’isolation.

La circulation naturelle dépend également de la viscosité de l’huile. À basse température, une viscosité plus élevée augmente la résistance à l’écoulement. Les concepteurs doivent tenir compte de ce comportement ainsi que des propriétés à basse température du liquide isolant et des conditions prévues de mise sous tension et de charge.

Pour les achats, la conclusion est simple : les dimensions des radiateurs constituent une information utile pour l’inspection, mais un essai d’échauffement et une conception thermique crédible sont des preuves plus solides de la capacité de refroidissement.

Les températures importantes dans un transformateur de puissance ONAN de poste électrique

Les différentes valeurs de température répondent à des questions différentes. Les traiter comme si elles étaient interchangeables peut masquer un problème thermique.

Il faut également distinguer l’échauffement de la température absolue. Pour un échauffement donné au-dessus de la température ambiante, la température absolue de l’isolation est plus élevée par temps chaud que par temps frais. La capacité de charge dépend donc à la fois des caractéristiques thermiques du transformateur et de son environnement.

L’huile et l’isolation solide possèdent une inertie thermique : les températures ne changent donc pas instantanément lorsque la charge varie. La charge de courte durée peut être évaluée différemment d’une charge soutenue, mais le retard thermique ne permet pas de surcharger le transformateur sans évaluation technique.

Lire les normes et les rapports d’essai sans tirer de conclusions hâtives

Pour les transformateurs immergés dans un liquide spécifiés selon les pratiques IEC, IEC 60076-2 traite de l’échauffement, tandis que IEC 60076-7 fournit des recommandations de charge pour les transformateurs de puissance immergés dans l’huile minérale. Selon les pratiques IEEE, IEEE C57.12.00, IEEE C57.12.90 et IEEE C57.91 concernent couramment, respectivement, les exigences, les essais et les recommandations de charge. Il convient toujours de préciser l’édition applicable ainsi que les exigences contractuelles.

Il n’existe pas de valeur d’échauffement unique à appliquer aveuglément à tous les transformateurs ONAN. Les limites et les méthodes d’évaluation dépendent de la norme spécifiée, du système d’isolation, du fluide de refroidissement et des conditions de service. Les recommandations de charge établies pour l’huile minérale ne doivent pas être transposées sans discernement à un autre liquide isolant.

Lors de l’examen des données thermiques, vérifiez les points suivants :

• Base d’essai : Quels classement, position de prise, pertes et configuration de refroidissement ont été pris en compte ?
• Configuration de refroidissement : La configuration des radiateurs testée correspondait-elle à celle de l’équipement fourni ?
• Résultats mesurés : Les échauffements de l’huile supérieure et moyen des enroulements sont-ils clairement indiqués, avec les corrections requises ?
• Évaluation du point chaud : Le point chaud a-t-il été calculé, justifié par une validation de la conception ou mesuré au moyen de capteurs intégrés ?
• Applicabilité au site : La température ambiante, l’altitude, l’enceinte et les hypothèses de charge correspondent-elles au projet ?

Une déclaration de conformité constitue un point de départ. Pour une application de poste électrique à forts enjeux, demandez les justificatifs d’essai pertinents et précisez s’ils concernent l’unité fournie ou une conception représentative acceptée.

Les conditions d’installation peuvent compromettre une conception par ailleurs adéquate

Un transformateur ONAN doit pouvoir accéder à de l’air plus frais et disposer d’une voie dégagée pour évacuer l’air réchauffé. Les murs proches, les barrières acoustiques, les équipements installés à faible distance ou les enceintes de protection peuvent restreindre la circulation ou permettre à l’air chaud de revenir vers la zone d’admission des radiateurs.

Les installations intérieures exigent une attention particulière. Même si le transformateur ne possède pas de ventilateurs de refroidissement, la salle peut nécessiter une ventilation conçue pour évacuer sa chaleur. Le refroidissement naturel du transformateur ne signifie pas qu’une salle hermétique est acceptable.

L’altitude constitue un autre facteur à prendre en compte : une densité de l’air plus faible peut réduire les performances du refroidissement externe. Des températures ambiantes supérieures aux valeurs spécifiées, l’exposition au soleil et les sources de chaleur à proximité peuvent également réduire la marge thermique. Toute modification de classement ou de refroidissement nécessaire doit être convenue avec le fabricant et non déduite d’une règle générale.

Lors de l’installation et de la mise en service, vérifiez la position des vannes des radiateurs, lorsqu’elles sont présentes, le niveau d’huile, l’étanchéité et l’exécution des opérations requises de remplissage et de purge. La présence d’air emprisonné dans les composants de refroidissement ou l’isolement involontaire d’un radiateur peut compromettre le parcours de circulation prévu.

Contrôles en exploitation : le refroidissement passif nécessite lui aussi une attention particulière

L’absence de pompes et de ventilateurs élimine ces composants auxiliaires, mais pas les besoins de maintenance. Les surfaces de refroidissement peuvent accumuler de la saleté, le niveau d’huile peut varier et les instruments de température peuvent dériver. L’huile isolante et l’isolation cellulosique vieillissent également.

La surveillance la plus utile consiste à comparer la température à la charge et aux conditions ambiantes au fil du temps. Une hausse de la température de l’huile supérieure pour une charge et une température ambiante similaires mérite une investigation, en particulier après une intervention de maintenance ou une modification de l’installation environnante.

Selon la criticité de l’équipement, les contrôles peuvent comprendre l’inspection des surfaces de refroidissement, la vérification des instruments, l’analyse de l’huile, l’analyse des gaz dissous et l’examen des indications de température des enroulements. L’inspection infrarouge peut aider à détecter des profils de température externes anormaux, mais elle ne permet pas de déterminer directement le point chaud interne des enroulements.

Les réglages de protection et les limites d’exploitation doivent respecter la conception thermique convenue et la philosophie de protection. Relever le seuil d’alarme pour tolérer une surchauffe persistante ne rétablit pas la capacité de refroidissement.

Quand envisager une solution sèche dans l’évaluation

Certains projets de distribution nécessitent de comparer les équipements ONAN immergés dans un liquide aux transformateurs secs, notamment lorsque le lieu d’installation, les mesures de protection contre l’incendie ou la rétention du liquide influent sur la décision. Il s’agit de systèmes thermiques différents : un transformateur sec en résine coulée ne comporte aucune boucle de circulation d’huile et utilise normalement les désignations de refroidissement AN ou AF, et non ONAN.

Pour ce type de projet, Jinshida Electric Power Technology Co., Ltd. propose letransformateur de distribution triphasé sec en résine coulée 20 kV, une option de distribution distincte avec des configurations basse tension spécifiées à 0,4 kV ou 0,415 kV, ainsi qu’une protection et un contrôle de la température. Il s’agit d’une technologie alternative, et non d’un exemple de refroidissement ONAN.

Comparez les configurations proposées à partir des pertes vérifiées, des limites de température, des besoins de ventilation, des effets de l’enceinte et des normes propres au projet. Toute capacité de surcharge déclarée en refroidissement à air forcé doit être évaluée en fonction de sa durée et de ses conditions thermiques déclarées ; elle ne doit pas être interprétée comme un classement continu illimité en refroidissement naturel par air.

Prendre une décision de refroidissement adaptée au site

Un transformateur ONAN bien sélectionné équilibre les pertes électriques, la circulation interne de l’huile, la surface externe de transfert thermique et l’environnement qui l’entoure. Son avantage est simple : il évacue la chaleur sans pompes ni ventilateurs, avec moins de composants auxiliaires à entretenir. Sa limite est tout aussi claire : le refroidissement passif dépend des écarts de température et de parcours d’écoulement dégagés.

Avant d’accepter un transformateur de puissance ONAN de poste électrique, vérifiez trois points : la base de l’essai thermique correspond à l’équipement, l’évaluation de la charge reflète le service réel et l’installation permet au système de refroidissement de fonctionner comme prévu. Ces vérifications transforment une désignation de refroidissement sur une fiche technique en éléments probants pour un fonctionnement fiable en poste électrique.