1. Définition et principes fondamentaux

Un transformateur haute tension est un appareil électrique statique qui augmente ou réduit la tension alternative par induction électromagnétique. Sa fonction principale est d'augmenter l'électricité basse tension (par exemple, 10 kV) générée par les centrales électriques à des tensions ultra-élevées (au-dessus de 110 kV) pour la transmission longue distance, puis de la réduire à des niveaux d'utilisation sûrs (par exemple, 220 V) pour les utilisateurs finaux. Ce processus repose sur ​ Loi de Faraday sur l'électromagnétisme Induction : lorsque le courant alternatif circule dans l'enroulement primaire, il génère un flux magnétique alternatif dans le noyau, induisant une force électromotrice (FEM) dans l'enroulement secondaire. Le rapport de tension suit strictement le formule du rapport des spires (U₁/U₂ = N₁/N₂). Par exemple, si l'enroulement primaire a 1 000 spires et le secondaire 10 000 spires, la tension de sortie est multipliée par dix.

2. Analyse structurelle du noyau

(1) Noyau ​
Constitué de tôles laminées en acier au silicium de haute perméabilité de 0,23 à 0,35 mm d'épaisseur, revêtues de vernis isolant pour minimiser les pertes par courants de Foucault. Les noyaux modernes adoptent une conception 'à recouvrement étagé', réduisant la réluctance magnétique de 30 % et les pertes à vide de 15 %

(2) Enroulements ​

· ​ Enroulement primaire : Typiquement bobiné avec du fil de cuivre torsadé pour résister aux hautes tensions (jusqu'à 1 000 kV), présentant de faibles sections de conducteur mais des couches d'isolation dépassant 5 mm.

· ​ Enroulement secondaire : Utilise du cuivre torsadé continu pour les applications basse tension et fort courant, avec des sections transversales jusqu'à 10 fois supérieures à celle du primaire.

(3) Systèmes de refroidissement ​

· ​ Immergé dans l'huile : L'huile de transformateur sert à la fois d'isolant (rigidité diélectrique ≥30 kV/mm) et de réfrigérant, maintenant les températures de l'huile en dessous de 85°C.

· ​ À sec : Utilise une isolation en papier Nomex avec refroidissement par air forcé ou SF₆, idéal pour les environnements sensibles comme les métros et les centres de données

3. Classification et applications

Dans le projet UHVDC ±800 kV sur le plateau Qinghai-Tibet, les transformateurs fonctionnent à -40 °C et 4 500 m d'altitude. Les technologies de remplissage d'huile sous vide et de compensation par expansion d'azote empêchent la solidification de l'huile d'isolation, garantissant des performances stables du réseau.

4. Défis techniques et innovations

(1) Contrôle des pertes ​
Les transformateurs modernes utilisent noyaux en alliage amorphe (1/5 des pertes fer du silicium-acier) et une régulation de tension intelligente pilotée par IA, réduisant les pertes à vide à <15 kW/10 MVA. Les dernières normes de State Grid imposent un rendement ≥98 % pour les transformateurs de 110 kV.

(2) Percées en isolation ​
L'imprégnation sous vide à la résine époxy atteint des niveaux de décharge partielle inférieurs à 5 pC. Les transformateurs ±1 100 kV comportent des traversées segmentées avec des distances de fuite de 7,2 m.

(3) Mises à niveau intelligentes ​
Capteurs de température intégrés à fibre optique (précision ±0,5 °C), moniteurs de vibration (échantillonnage 10 kHz) et algorithmes d'IA permettent une précision de prédiction des défauts >92 %. China Southern Power Grid a déployé des systèmes de jumeau numérique dans 2 000 transformateurs.

5. Protocoles de maintenance et de sécurité

· ​ Tests de routine : Tests de résistance d'isolation tous les 3 ans (standard >1 000 MΩ), écart de résistance CC des enroulements <2 %.

· ​ Chromatographie d'huile : Surveiller les niveaux de H₂ et CO ; des augmentations d'hydrocarbures totaux >10 % déclenchent des arrêts immédiats.

· ​ Protection contre la foudre : Installer des parafoudres de 10 kA avec une résistance de mise à la terre ≤4 Ω.

6. Tendances futures

Avec l'adoption croissante des énergies renouvelables, les transformateurs haute tension évoluent vers des conceptions modulaires (temps d'installation réduits de 60 %), des interconnexions multi-terminaux (supportant les opérations parallèles VSC-HVDC), et le suivi de l'empreinte carbone (réductions des émissions de 40 % sur le cycle de vie). D'ici 2030, le marché mondial devrait dépasser 80 milliards de dollars, la Chine représentant plus de 45 % de la demande.