Processus de bobinage : le lien technique principal déterminant la stabilité du transformateur

L'enroulement du transformateur est constitué de fils d'enroulement, assurant principalement la double fonction « d'induction électromagnétique » et de « transmission de courant ». Pendant le fonctionnement, le bobinage doit résister à trois types de contraintes : les contraintes électriques, les contraintes thermiques et les contraintes mécaniques. La contrainte électrique provient de la distribution du champ électrique sous haute tension, la contrainte thermique provient de la chaleur générée par la perte de courant et la contrainte mécanique est causée par la force électromagnétique induite par le courant de court-circuit. Grâce à des liens tels que la sélection des fils, la précision du bobinage et le traitement de l'isolation, le processus de bobinage détermine directement la capacité du bobinage à résister à ces trois types de contraintes, servant de « ligne de défense de base » pour garantir un fonctionnement stable du transformateur.​

Selon les statistiques de pannes de l'industrie, environ 35 % des pannes soudaines de transformateur sont liées au processus d'enroulement, parmi lesquelles la "décharge partielle causée par un enroulement lâche" et le "court-circuit-entre-tour provoqué par un endommagement de la couche d'isolation" représentent la proportion la plus élevée. Ces données confirment en outre qu'un processus de bobinage de haute-qualité est non seulement une condition préalable à la conformité du produit, mais également la garantie principale du fonctionnement stable à long-terme de l'équipement.

Le processus de bobinage couvre quatre maillons essentiels : la sélection du fil, la méthode de bobinage, le traitement d'isolation et le séchage et le durcissement. Les détails techniques de chaque lien sont étroitement liés à la stabilité du transformateur, avec des impacts spécifiques comme suit :​

1. Sélection des fils : contrôle des pertes et de la résistance thermique à partir de la « source »​

En tant que « structure » ​​du bobinage, le matériau, les spécifications et le traitement de surface du fil affectent directement l'efficacité conductrice et la stabilité thermique du bobinage :​

• Sélection des matériaux :Actuellement, les fils de bobinage courants sont des fils de cuivre et des fils d'aluminium. La conductivité des fils de cuivre est environ 30 % supérieure à celle des fils d'aluminium. Sous la même charge, les enroulements en cuivre présentent des pertes plus faibles, une génération de chaleur moindre, un vieillissement thermique plus lent lors d'un fonctionnement à long-et des avantages de stabilité significatifs. Bien que les fils d'aluminium aient des coûts inférieurs, ils nécessitent une section transversale plus grande pour correspondre aux performances conductrices des fils de cuivre, ce qui entraîne facilement une augmentation du volume d'enroulement et des difficultés de dissipation thermique plus élevées. Si le contrôle du processus est incorrect, une surchauffe locale est susceptible de se produire.​
• Spécification du fil :L'écart de diamètre du fil et l'erreur de rondeur du fil affectent directement l'étanchéité de l'enroulement après l'enroulement. Par exemple, lorsque l'écart de diamètre du fil dépasse 0,05 mm, le fil est sujet à une « différence de hauteur » pendant le processus d'enroulement, ce qui entraîne une surface d'enroulement inégale. Cela entraîne une répartition inégale du champ électrique pendant le fonctionnement et augmente le risque de décharge partielle. Si la rondeur n'est pas conforme aux normes, cela entraînera des zones de contact des fils incohérentes, provoquant une répartition déséquilibrée du courant et aggravant la génération de chaleur locale.​
• Traitement de surface :L'épaisseur et l'adhérence du film de peinture isolant sur la surface du fil sont cruciales. Un film de peinture de haute-qualité doit avoir une épaisseur uniforme (avec une erreur inférieure ou égale à 5 %) et une forte adhérence. Si le film de peinture présente des trous d'épingle, des rayures ou un écaillage, cela réduira la résistance d'isolation d'une spire-à-de spire, et une rupture de spire-à-de spire est susceptible de se produire pendant le fonctionnement, provoquant directement des pannes d'enroulement.​

2. Méthode d'enroulement : la précision détermine la "résistance au stress"​

La méthode d'enroulement est le maillon central du processus d'enroulement et sa précision affecte directement la résistance mécanique et l'uniformité du champ électrique de l'enroulement. Les méthodes d'enroulement courantes incluent le "type cylindrique multi-couche", le "type continu" et les impacts des différentes méthodes sur la stabilité varient considérablement :​

• Contrôle de la tension d'enroulement :Une tension inégale pendant le processus de bobinage est la principale cause des enroulements lâches. Si la tension est trop faible, il y aura des espaces entre les fils de bobinage. Pendant le fonctionnement, les fils sont sujets à se déplacer sous l'action d'une force électromagnétique, entraînant une usure de la couche isolante. Si la tension est trop élevée, le fil s'étire et se déforme facilement, ce qui affecte la section conductrice-et peut endommager le film de peinture isolant. Un processus de haute-qualité nécessite un système de contrôle automatique de la tension pour contrôler la fluctuation de tension dans une plage de ±5 %, garantissant ainsi que l'enroulement est serré et exempt de dommages dus aux contraintes.​
• Précision de la disposition des enroulements :La « régularité » et « l'étanchéité » de la disposition des fils affectent directement la répartition du champ électrique. Par exemple, si des « mauvais virages » ou des « virages superposés » se produisent dans un enroulement continu, l'intensité du champ électrique local augmentera fortement (jusqu'à 3 fois celle de la zone normale), déclenchant une décharge partielle. Si l'espace inter-couche d'un enroulement cylindrique multi-couche dépasse 0,1 mm, un « entrefer » se formera. Étant donné que l'intensité du champ de claquage de l'air est bien inférieure à celle du papier isolant, une rupture de claquage entre les couches est susceptible de se produire.​
• Processus de traitement final :L’extrémité du bobinage est la zone concentrée de contraintes mécaniques. Lors d'un court-circuit, la force électromagnétique à l'extrémité peut atteindre des dizaines de fois celle en fonctionnement normal. Si l'extrémité n'est pas ferme (par exemple, l'espacement du ruban de liaison est trop grand ou les nœuds ne sont pas serrés), l'extrémité est sujette à la déformation et au déplacement lors d'un court-circuit, ce qui déchire davantage la couche isolante. Un processus de haute-qualité nécessite une « reliure croisée multi-couche » et l'installation d'« anneaux de coin » aux extrémités pour améliorer la résistance mécanique et garantir la forme stable de l'enroulement lors d'un court-circuit.​

3. Traitement d'isolation : blocage du « chemin de transmission des défauts »​

Le système d’isolation du bobinage est la clé pour résister aux contraintes électriques et thermiques. La qualité du processus de traitement de l'isolation détermine directement la durée de vie et la fiabilité du système d'isolation :​

• Sélection des matériaux d'isolation :Les matériaux isolants courants comprennent le papier isolant, la peinture isolante et les entretoises. Par exemple, la limite de résistance à la température à long-terme du papier isolant de classe A est de 105 degrés, tandis que celle du papier isolant de classe H peut atteindre 180 degrés. Dans les environnements à haute -température (tels que les centrales électriques à énergie nouvelle et les ateliers métallurgiques), le choix du papier isolant de classe H peut prolonger la durée de vie du système d'isolation de 3 à 5 fois. Si le matériau d’isolation est mal sélectionné, il est sujet au vieillissement et à la fragilisation à haute température, entraînant une diminution de la résistance de l’isolation.​
• Processus d'imprégnation et de séchage :Le but du traitement d'imprégnation est de permettre à la peinture isolante de pénétrer complètement dans les interstices du bobinage, formant une « couche isolante intégrale ». Si l'imprégnation est insuffisante (par exemple, la viscosité de la peinture est trop élevée ou le temps d'imprégnation est insuffisant), des bulles d'air resteront à l'intérieur du bobinage. L'intensité du champ de claquage des bulles d'air est faible, ce qui provoque facilement une décharge partielle. Si le processus de séchage n'est pas correctement contrôlé (par exemple, la température augmente trop rapidement ou l'humidité ne répond pas aux normes), cela entraînera un durcissement inégal de la peinture isolante, entraînant des fissures et un écaillage, et une perte de l'effet de protection de l'isolation.​
• Contrôle de l'épaisseur de l'isolation :L'épaisseur de la couche d'isolation doit être conçue avec précision en fonction de la tension nominale du transformateur. Par exemple, l'épaisseur d'isolation tour à tour-à-tour d'un transformateur de 10 kV doit être supérieure ou égale à 0,3 mm. Si l'épaisseur est insuffisante, il se décompose facilement sous l'effet de la haute tension. Si l'épaisseur est trop épaisse, cela augmentera le volume d'enroulement, affectera l'efficacité de la dissipation thermique et entraînera un gaspillage de matériau. Un processus de haute-qualité nécessite une « surveillance de l'épaisseur en ligne » pour garantir que l'écart d'épaisseur de la couche d'isolation est inférieur ou égal à 0,02 mm.​

4. Séchage et durcissement : garantir la « stabilité du processus »​

Le séchage et le durcissement constituent le dernier maillon du processus de bobinage. Son objectif est d’éliminer l’humidité du bobinage et de garantir le durcissement complet de la peinture isolante. S’ils ne sont pas correctement gérés, les effets des processus précédents seront vains :​

• Contrôle de l'humidité :L'humidité dans l'enroulement réduira considérablement la résistance de l'isolation et accélérera le vieillissement de l'isolation. Par exemple, lorsque la teneur en humidité du papier isolant dépasse 0,5 %, son intensité de champ de claquage diminuera de plus de 40 %. Un processus de séchage de haute-qualité nécessite un "séchage sous vide" pour contrôler la teneur en humidité du bobinage en dessous de 0,1 %, tout en évitant l'oxydation du fil due à des températures trop élevées.​
• Température et temps de durcissement :Le durcissement des peintures isolantes doit suivre le principe de la « montée en température progressive ». Si la température augmente trop rapidement, la peinture a tendance à « durcir en surface tandis qu'elle durcit à l'intérieur », ce qui entraîne une résistance insuffisante de la couche isolante. Si le temps de durcissement est insuffisant, la peinture isolante ne sera pas entièrement réticulée-et elle aura tendance à ramollir et à couler pendant-un fonctionnement à long terme. Par exemple, la peinture isolante à base d'époxy- doit être maintenue à 120 degrés pendant plus de 6 heures pour garantir un degré de durcissement supérieur ou égal à 95 % et garantir des performances d'isolation stables.