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Auteur : les anciens

Notes :

12/03/09, par Julien

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Juin 2009 : mise en page et liens internes, Sylvie.

Transformateur à huile.

Pertes du transformateur

Un transformateur présente des pertes à vide (ou pertes « fer ») constantes quelle que soit la puissance appelée, et des pertes en charge variables. Il est important de tenir compte de ces pertes dans le choix d’un transformateur, car celles-ci vont se répercuter tout au long de sa vie.
En fonction de leurs aspects constructifs, tous les transformateurs ne présentent pas les mêmes pertes. La réduction des pertes se réalisant par l’augmentation des quantités de matériaux du transformateur, cela s’accompagne d’une augmentation du coût.
Dans un souci d’utilisation rationnelle de l’énergie, la FPE (Fédération Professionnelle des Producteurs et Distributeurs d’Electricité de Belgique) impose, dans ses prescriptions techniques (« Prescriptions techniques – cabines HT (<15 kV) ») le respect des valeurs de pertes reprises dans les normes NBN HD428.1 S1 (tableaux II et III) (transformateurs immergés) et NBN HD 538.1 S1 (transformateurs secs) suivantes:

Transformateurs immergés (NBN HD428.1 S1)

Puissance assignée
[kVA]

Pertes en charge
[W]

Pertes à vide
[W]

50 875 125
100 1 475 210
160 2 000 300
250 2 750 425
400 3 850 610
630 5 400 860
630 5 600 800
1 000 9 500 1 100
1 600 14 000 1 700
2 500 22 000 2 500

Transformateurs secs (NBN HD538.1 S1)
(correspond aux transformateurs « faibles pertes »)

Puissance assignée
[kVA]

Pertes en charge
[W]

Pertes à vide
[W]

100 1 750 360
160 2 500 490
250 3 450 660
400 4 900 970
630 6 900 1 270
800 9 400 1 400
1000 11 000 1 650
Exemple.

Comparaison des pertes des transformateurs (12 kV/400 V) de la marque « x »

Puissance nominale
[kVA]
Type de transfo Pertes à vide
[W]
Pertes en charge (nominales)
[W]
Prix
[€]
400 Transfo sec – pertes réduites 970 4 900 8916
 

Transfo huile minérale

610 3 850 6350
630 Transfo sec – pertes réduites 1 270 6 900 10 730
Transfo huile minérale 860 5 400 8347
800 Transfo sec – pertes réduites 1 400 9 400 11 966
Transfo huile minérale 950 7 350 9329

 

Type de transfo Puissance nominale [kVA] Pertes à vide [kWh/an] Pertes en charge [kWh/an] Pertes totales [kWh/an]

Hypothèses : fonctionnement = 8 760 h/an, charge moyenne du transfo sur l’année = 37 %

400 Transfo sec – pertes réduites 8 497 5 888 14 373*
Transfo huile minérale 5 344 4 626 9 970
630 Transfo sec – pertes réduites 11 125 8 291 19 417
Transfo huile minérale 7 534 6 489 14 022
800 Transfo sec – pertes réduites 12 264 11 295 23 559
Transfo huile minérale 8 322 8 832 17 154

*14 373 [kWh/an] = (970 [W] + 4 900 [W] x 0,37²) x 8760 [h] / 1 000

Type de transfo Puissance nominale [kVA] Coût des pertes à vide [€/an] Coût des pertes en charge [€/an] Coût des pertes totales [€/an]

Hypothèses : fonctionnement = 8 760 h/an, charge moyenne du transfo sur l’année = 37 %, prix du kWh =6,5 c€

400 Transfo sec – pertes réduites 552 383 934*
Transfo huile minérale 347 301 648
630 Transfo sec – pertes réduites 723 539 1262
Transfo huile minérale 490 422 1586
800 Transfo sec – pertes réduites 797 734 1531
Transfo huile minérale 541 574 1115

*934,25 [€/an] = 14 373 [kWh/an] x6.5 [c€/kWh]

On remarque que les transformateurs (transformateurs à huile minérale) présentant le moins de pertes sont aussi les moins onéreux. Au niveau de l’efficacité énergétique, on a donc tout intérêt à choisir ces derniers. Par exemple, pour le transformateur de 400 kVA chargé à 37 %, on réalise une économie de 4 415 kWh/an sans encore avoir touché aux consommateurs internes du bâtiment.

Cependant, les transformateurs secs sont de plus en plus préconisés par les bureaux d’études qui négligent les économies d’énergie en mettant en évidence les inconvénients des transformateurs à huile (risques de pollution, nécessité de prévoir un système de rétention de l’huile, risques d’incendie, …).

Pour diminuer les pertes de fonctionnement, il faut acheter un transformateur adapté à la charge appliquée :

  • si le transformateur est faiblement chargé (moins de 30 %), les pertes à vide (Wfe) devront être les plus faibles possibles et les pertes en charge (à charge nominale) (Wcu) pourront être plus importantes;
  • par contre, si le transformateur est très chargé (plus de 40 %), les pertes en charge devront être les plus faibles possibles et les pertes à vide peuvent être plus grandes.

Il est cependant important lors de tout achat de transformateurs de bien analyser la courbe de charge du réseau alimenté par le futur transformateur et lors de la demande d’offre aux constructeurs, il faudra spécifier le rapport Wfe/Wcu désiré. Les fabricants sont à même de construire les transformateurs selon les pertes désirées. Pour diminuer les pertes à vide, ils doivent optimaliser le circuit magnétique et pour diminuer les pertes en charge, ils doivent augmenter les sections des conducteurs. Toutefois chaque diminution des pertes à vide se fait au détriment des pertes en charge et vice-versa, ceci afin de ne pas construire des transformateurs démesurés et pour maintenir des prix acceptables.

Facteur de puissance

Un transformateur ne fournit pas que de l’énergie réactive dont ont besoin les récepteurs qui sont raccordés à son secondaire.
Il en absorbe lui-même pour assurer son fonctionnement. On pourra, en fonction des pertes magnétiques du transformateur en charge et de la consommation d’énergie réactive des récepteurs, installer une batterie de condensateurs de type fixe aux bornes du TGBT.
Il sera nécessaire de s’assurer que la puissance de celle-ci en kVAr, n’excède pas 10 à 15 % de la puissance nominale du poste en kVA.

Calculs

Exemple de calcul du condensateur associé à un transformateur.

Réseau électrique 

Pour en savoir plus sur la compensation de la consommation réactive : cliquez ici !

Dimensionnement

Les transformateurs présentent des pertes à vide proportionnelles à leur puissance et constantes quelle que soit leur charge.
C’est pourquoi, il est important de ne pas trop les surdimensionner.
D’autre part, le sous-dimensionnement est également préjudiciable :

  • Les transformateurs n’ont pas leur rendement maximum à pleine charge mais bien aux environs de 50 % de charge.
  • Des échauffements anormaux des enroulements apparaissent avec ouverture des protections, arrêt de l’installation et vieillissement prématuré.

Pour les bâtiments existants

En rénovation, la tâche est plus aisée qu’en construction neuve. En effet, on peut se fier aux factures électriques des années antérieures. On peut reprendre les factures des 3 dernières années et y relever la pointe 1/4 horaire maximum, ainsi que le cos φ minimum enregistrés :

Puissance du nouveau transformateur = (Pointe 1/4 horaire max / cos φ) + 20 .. 30 % de réserve

La réserve de 20 ..30 % sera précisée en fonction du profil de consommation escompté pour les années à venir.
On remarquera souvent que le résultat de cette formule conduit à une nouvelle puissance nettement inférieure au transformateur existant.
On constate également que, dans cette formule, la puissance du transformateur nécessaire augmente (donc ses pertes aussi) si le cos φ de l’ensemble de l’installation électrique est mauvais. Il est donc important de corriger ce dernier pour qu’il soit le plus proche de 1.

Réseau électrique 

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Comme vu ci-dessus, il faudra choisir le meilleur rapport (Pertes à vide / Pertes en charge), pour minimiser les pertes sur toute la durée de vie du transformateur.

Exemple.

Voici le diagramme de charge d’un home de 100 lits, pour un jour type. La pointe 1/4 horaire maximum de l’institution a été enregistrée en décembre, avec une valeur de 68 kW.

La puissance du nouveau transformateur est estimée à (avec un cosφ de 0,9) :

68 [kW] / 0,9 x 1,2 = 90 [kVA]

Le choix s’est porté sur un transformateur de 100 [kVA].

La puissance moyenne appelée sur l’année par l’institution est de 26 kW (somme des kWh consommés sur l’année (heures pleines + heures creuses) divisée par 8 760 heures/an).

La charge du futur transformateur sera donc de :

26 [kW] / 0,9 / 100 [kVA] = 32 %

Avec une telle charge présumée, la tendance est de choisir les pertes à vide minimales au détriment des pertes en charge.

Pour les bâtiments neufs

Dans le cas d’un bâtiment neuf, le dimensionnement est évidemment plus ardu puisqu’on ne connaît pas le profil de consommation futur du bâtiment.

Ordre de grandeur

Un ratio raisonnable de dimensionnement du transformateur pour un immeuble de bureaux est :

25 W/m² de surface totale utilisée

La surface totale utilisée comprend les locaux de travail, mais aussi les garages, les sanitaires, les circulations, …
À titre de comparaison, voici le relevé des puissances électriques maximales enregistrées dans les différents immeubles de bureaux de l’administration régionale wallonne :

Pointe 1/4 horaire maximum enregistrée dans les bâtiments de l’admiministration régionale wallonne :

  1. DGTRE (9 265 m²)
  2. DGRNE (10 100 m²)
  3. DGTALP (14 330 m²)
  4. Ministre Président (4 689 m²)
  5. Ministre Act.Soc. Logt. (3 205 m²)
  6. Sécretariat général et DGEE  (22 000 m²)
  7. DGASS (8 673 m²)

Par rapport à ces chiffres, le dimensionnement réalisé par les bureaux d’études est bien souvent supérieur. Cela s’explique par le fait que, par raison de sécurité, ces derniers prévoient une puissance maximum sur chacun des points de raccordement. Or, on peut raisonnablement estimer qu’une chaufferette ne sera pas installée sur chaque prise.
L’estimation des équipements les plus probables (par exemple : 1 ordinateur et 1 imprimante par personne, …), de leur puissance et de coefficients de simultanéité raisonnables conduit à un dimensionnement plus proche de la réalité.

En première approximation, pour estimer la pointe 1/4 horaire d’un bâtiment futur en fonction des équipements qui y seront installés : cliquez ici !

Remarque : les transformateurs en dessous de 630 kVA ne nécessitent pas de sectionneurs avec protections, tandis que les transformateurs 630 kVA et plus, bien. L’investissement supplémentaire n’est pas négligeable. Ainsi, pour éviter ce surcoût, lorsque la puissance calculée est légèrement supérieure à 630 kVA, on pourra éventuellement prendre des mesures de gestion de charge et essayer de diminuer la consommation de puissance réactive ou se satisfaire d’une marge de sécurité inférieure.
Pour en savoir plus sur :

Réseau électrique 

L’écrêtage de la pointe 1/4 horaire : cliquez ici !

Réseau électrique

La compensation de la consommation réactive : cliquez ici !