Transformateur pour laminoir : comment dimensionner l'alimentation 33 kV pour un laminoir à barres à béton de 500 000 t/an

La réponse d'abord : un laminoir à barres de 500 000 t/an représente une charge de 10,4 MW à un facteur de puissance de 0,92, et trois décisions relatives aux transformateurs déterminent s'il démarre, maintient un TDD de 5 % et survit à 45 °C

Un laminoir à barres produisant 500 000 t/an de barres de 8–32 mm sur 7 200 heures est une usine de 69,4 t/h qui consomme environ 105 kWh d'électricité par tonne, de sorte que sa demande moyenne est de 7,3 MW et son pic sur 15 minutes de 10,4 MW à un facteur de puissance de 0,92 — soit 11,3 MVA. C'est cette charge, et non le four de réchauffage de 45 MW, qui définit le dimensionnement des transformateurs : deux transformateurs principaux de 12,5 MVA 33/11,5 kV ONAN/ONAF qui portent chacun 95 % de l'usine sur une seule unité à une température ambiante de 45 °C, une impédance de 8 % qui maintient le niveau de court-circuit à 11 kV à 6,2 kA et impose le démarrage de chaque cage sur variateur plutôt qu'en direct, et treize transformateurs de convertisseur — trois unités de 3 200 kVA en paires Dy/Dd déphasées de 30° et dix unités K-13 de 800 kVA — qui maintiennent la distorsion de demande totale au point de raccordement commun à 33 kV à 4,2 % contre la limite IEEE 519 de 5,0 %. Réussissez ces trois choix et le lot de transformateurs coûte entre 540 000 et 680 000 USD sur une usine qui coûte deux cents fois plus ; ratez-les et vous passerez la première année de production à discuter des harmoniques avec le distributeur et des creux de tension avec le laminoir.

Points clés

• 105 kWh/t × 69,4 t/h donne 7,3 MW en moyenne et 10,4 MW au pic sur 15 minutes — la méthode des kWh par tonne remplace toute table de kVA par tonne, et c'est le pic, et non la moyenne, qui dimensionne les transformateurs principaux.
• Deux unités de 12,5 MVA déclassées à 11,9 MVA à 45 °C portent 95 % de l'usine en N-1 ; 2 × 1 200 kVAr de condensateurs désaccordés apportent les 4 % de capacité restants à moindre coût que le passage à 16 MVA.
• Une impédance de 8 % est un compromis, pas un choix par défaut : elle maintient le niveau de court-circuit à 11 kV à 6,2 kA, mais elle produit aussi un creux de 13,5 % si une cage dégrossisseuse de 2 300 kW est démarrée en direct, ce qui explique pourquoi chaque cage fonctionne sur un variateur à front actif.
• Les redresseurs à six impulsions seuls portent le TDD de courant à 26 % ; les paires Dy/Dd déphasées de 30° le réduisent à 8,5 % au niveau du variateur et à 4,2 % au PCC à 33 kV — cette différence est celle entre réussir et échouer à la clause harmoniques du distributeur.
• À 7 200 h/an et 0,09 USD/kWh, les pertes à vide valent 788 USD/kW et les pertes en charge 268 USD/kW ; un surcoût S13 sur une unité de 12,5 MVA s'amortit en environ 3,7 ans, un noyau amorphe en environ 6 ans.

Quelle charge électrique un laminoir à barres de 500 000 t/an présente-t-il réellement ?

Commencez par le tonnage et la consommation spécifique, car tous les autres chiffres en découlent. Un laminoir de 500 000 t/an fonctionnant 300 jours à 24 h/jour compte 7 200 heures productives, soit un débit de 69,4 t/h. Un laminoir à barres avec four de réchauffage et variateurs à courant alternatif consomme 95–120 kWh d'électricité par tonne selon la taille des billettes, la gamme de produits et la part du train finisseur fonctionnant à pleine vitesse ; 105 kWh/t est un point médian réaliste pour un mélange de 8–32 mm alimenté en billettes carrées de 150 mm. Cela donne 7,29 MW de demande moyenne et, en multipliant par le rapport pic/moyenne de 1,42 typique d'un laminoir avec intervalles entre billettes, changements de cylindres et récupération après bourrage, une demande de pointe sur 15 minutes de 10,4 MW. Multipliez par 7 200 h et l'usine achète 52,5 GWh par an — le chiffre sur lequel repose l'évaluation des pertes plus loin.

Les 10,4 MW ne sont pas répartis uniformément. Environ 89 % se trouvent dans le train de laminage et le four de réchauffage, et c'est le foisonnement entre les deux qui rend le total inférieur à la somme des charges raccordées. Le bilan de charge ci-dessous est celui à remettre au fabricant de transformateurs, car c'est la colonne de demande — et non celle des charges raccordées — qui dimensionne les transformateurs principaux.

Deux caractéristiques de ce bilan comptent plus que le total. Premièrement, 17,2 MW des 20,8 MW raccordés sont sur variateurs de vitesse, de sorte que le facteur de puissance de l'usine est déterminé par les étages d'entrée à redresseur et non par les moteurs asynchrones : un redresseur actif maintient un facteur de déplacement de 0,98–0,99, un redresseur à diodes avec inductance de lissage se situe à 0,95, et un redresseur à thyristors 6 pulsations peut descendre à 0,85 à vitesse réduite. Deuxièmement, la demande du laminoir varie de 3–4 MW en une minute à mesure que les billettes entrent dans les cages et en sortent, ce qui est d'abord un problème de charge du transformateur avant tout le reste. Si vous en êtes encore au stade de la conception et ne disposez que d'une liste de charges raccordées, la méthode exposée dans comment dimensionner un système de distribution vous mène à ce même tableau sans l'étape des kWh/t ; ce qu'elle ne peut pas vous dire, c'est quelle part de la charge raccordée se trouve sur variateurs, et c'est ce chiffre qui détermine la spécification harmonique.

Pourquoi les deux arrivées 33 kV sont-elles dimensionnées à 45 °C et non à 40 °C ?

Parce que la plaque signalétique du transformateur ne décrit pas le climat de l'usine. La norme IEC 60076-2 définit un transformateur pour une température ambiante maximale de 40 °C, une moyenne mensuelle de 30 °C et une moyenne annuelle de 20 °C. Un laminoir à béton à Lagos, Mombasa, Jakarta ou Djeddah connaît 44–48 °C en saison chaude, et le transformateur se trouve dans une enceinte où les radiateurs subissent la chaleur réfléchie par le bâtiment du laminoir. Chaque degré au-dessus de la référence de 40 °C coûte environ 0,9 % de la puissance nominale ONAN pour un appareil à huile de cette taille, de sorte qu'un transformateur de 12,5 MVA sollicité à 45 °C est en réalité un transformateur de 11,9 MVA. Acheter « 12,5 MVA » et le découvrir en juillet est l'erreur de dimensionnement la plus fréquente dans les laminoirs en climat chaud, et le même calcul s'applique aux appareils à résine coulée en altitude et en locaux non ventilés, comme exposé dans déclassement en altitude et en température.

Avec 11,3 MVA de puissance apparente de pointe et 11,9 MVA disponibles sur un seul appareil déclassé, le régime N-1 laisse une charge de 95 % — acceptable pour un après-midi, pas pour une semaine. La configuration qui satisfait à la fois le fonctionnement normal et le simple incident est donc 2 × 12,5 MVA, 33/11,5 kV, YNd11, ONAN 12,5 MVA / ONAF 16 MVA à 40 °C, avec un changeur de prises en charge de ±8 × 1,25 % côté 33 kV et une impédance de 8 %.

La dernière ligne explique pourquoi l'usine a besoin d'une compensation réactive et non d'un transformateur plus gros. Sans les 2 × 1 200 kVAr de batteries désaccordées, le facteur de puissance chute à 0,88, la puissance apparente de pointe passe de 11,3 à 11,8 MVA, et le cas de défaillance simple fonctionne à 99 % de la puissance nominale déclassée avec le point chaud à la limite continue de 98 °C définie dans l'IEC 60076-7. Deux batteries de condensateurs coûtent environ 45 000 USD installées ; le passage de 2 × 12,5 MVA à 2 × 16 MVA coûte environ 90 000 USD en prix de transformateur et ajoute 15 % aux pertes à vide pour toujours. Les condensateurs représentent les 4 % les moins chers.

Une autre conséquence de deux transformateurs sur un couplage normalement ouvert : l'usine doit survivre au transfert. Un schéma de transfert automatique de jeu de barres qui ferme le couplage 300 ms après le déclenchement du disjoncteur d'arrivée réalimentera le jeu de barres 11 kV à travers un transformateur dont le noyau peut encore conserver un flux rémanent, produisant un courant d'appel de 6–8 fois le courant nominal qui s'ajoute au courant de réaccélération des moteurs. À 12,5 MVA, cela représente un courant de 3–4 kA pendant 100 ms, suffisant pour déclencher l'élément instantané de l'arrivée s'il est réglé sur la plaque signalétique plutôt que sur le courant d'appel mesuré. La mesure et les réglages des relais sont traités dans courant d'appel du transformateur ; la règle de conception pour cette usine est de régler l'élément instantané au-dessus du courant d'appel le plus défavorable calculé avec flux rémanent, et d'ajouter une retenue au courant d'appel dans le 87T si le niveau de défaut du réseau est suffisamment élevé pour que les deux se chevauchent.

Pourquoi une impédance de 8 % est-elle la valeur qui détermine à la fois le niveau de défaut et le démarrage de chaque cage ?

L'impédance est le seul paramètre du transformateur qui intervient dans deux calculs à la fois, et dans un laminoir, les deux sont contraignants. Le premier est le niveau de défaut. Un raccordement réseau 33 kV avec 500 MVA de puissance de court-circuit disponible, vu à travers un transformateur de 12,5 MVA d'impédance 8 %, donne 119 MVA au jeu de barres 11 kV — 6,2 kA de courant de défaut triphasé, plus la contribution des moteurs pendant les premiers cycles. Ces 6,2 kA sont ce que l'appareillage 11 kV, les câbles et les supports de jeu de barres doivent supporter, et c'est confortablement dans la limite d'un appareillage de 25 kA, il y a donc une marge pour échanger de l'impédance contre des performances de démarrage si le laminoir en a besoin. La méthode, incluant la contribution des moteurs et l'effet de l'impédance des câbles, est décrite dans calcul du courant de court-circuit.

Le second calcul est le démarrage. Un moteur de cage dégrossisseuse de 2 300 kW, 11 kV, absorbe environ 135 A à pleine charge (rendement 0,96, facteur de puissance 0,93), et le démarrage direct en ligne prend 6,2 fois ce courant — environ 840 A — pendant 3–8 secondes jusqu'à ce que le volant et les cylindres atteignent leur vitesse. Face à un niveau de défaut de 6 200 A, 840 A représentent une chute de tension de 13,5 % au jeu de barres 11 kV. Les distributeurs et les fournisseurs de laminoirs acceptent normalement 3 % au point de raccordement commun et 10 % aux bornes du moteur, un démarrage direct en ligne de la cage dégrossisseuse n'est donc pas autorisé sur cette alimentation, et à 8 % d'impédance il ne pourra jamais l'être. En portant l'impédance à 10 %, le niveau de défaut tombe à 5,25 kA tandis que la chute monte à 15,9 % ; en la réduisant à 6 %, le niveau de défaut monte à 7,7 kA tandis que la chute tombe à 10,9 %. Aucune extrémité de cette plage ne rend le démarrage direct en ligne conforme, c'est pourquoi les deux cages dégrossisseuses sont équipées de variateurs à front actif qui limitent le courant de démarrage à 110 % — une chute de 2,4 % — plutôt que de démarreurs progressifs, et pourquoi la configuration des variateurs du laminoir et l'impédance du transformateur doivent être spécifiées ensemble.

Le choix de 8% par le laminoir n'est donc pas un défaut de fabrication : c'est la valeur à laquelle l'appareillage 11 kV reste économique (calibre 25 kA avec marge), la charge réactive reste proche de 1 MVAr par transformateur, et les variateurs — dont le laminoir a de toute façon besoin pour le contrôle d'épaisseur et le contrôle de boucle entre cages — absorbent entièrement le problème de démarrage. Un laminoir qui tenterait d'économiser le coût des variateurs en spécifiant des démarreurs progressifs aurait besoin d'une impédance de 12% pour maintenir la chute sous 10% avec un courant de 3,5× celui d'un démarreur progressif, et le paierait ensuite en 1,5 MVAr de consommation réactive et en une chute de 19,8% sur chaque moteur auxiliaire en démarrage direct sur le même jeu de barres.

Pourquoi les treize transformateurs de convertisseur existent-ils, et pourquoi K-13 ?

Chaque variateur de cage a besoin d'un transformateur entre le jeu de barres 11 kV et son redresseur pour trois raisons qui n'ont rien à voir avec la transformation de tension. La première est que l'on ne peut pas laisser le redresseur imprimer ses encoches de commutation et son bruit de mode commun sur le jeu de barres 11 kV de l'usine, où ce même jeu de barres alimente les commandes du four et l'automate de l'usine ; l'écran électrostatique du transformateur et son inductance de fuite constituent le filtre. La deuxième est que le variateur a besoin de 690 V au moteur et que le redresseur a besoin d'une tension sur laquelle il peut réguler, si bien que la plage de prises du transformateur est déterminée par la tension du jeu de barres 11 kV dans le pire des cas, et non par la tension nominale de l'usine. La troisième est la perte harmonique : la forme d'onde du courant d'un redresseur présente un THD de 25–30% aux bornes du variateur, et la perte par courants de Foucault dans les enroulements du transformateur croît avec le carré du rang harmonique, si bien qu'un transformateur de distribution ordinaire dimensionné pour une charge sinusoïdale surchauffe à 60–70% de sa plaque signalétique lorsqu'il alimente en permanence un redresseur à 6 pulsations.

Le facteur K est la désignation abrégée de cette capacité nominale, et K-13 est la valeur appropriée pour un variateur à 6 pulsations : le facteur K pondère chaque courant harmonique par le carré de son rang, un spectre à 6 pulsations avec un THD de 25–30% se situe entre K-9 et K-13, et K-13 offre environ 20% de marge sur la valeur calculée — ce qui est la position souhaitée pour un laminoir, car le spectre harmonique à faible charge est plus défavorable qu'à pleine charge. La méthode complète, y compris le calcul du facteur K à partir d'un spectre mesuré, figure dans K-factor transformer selection. Ce qui importe au stade de la spécification, c'est que le calibre K, le spectre harmonique supposé et le profil de charge figurent tous sur la fiche technique ; un transformateur vendu comme « adapté à une charge VFD » sans spectre déclaré n'est pas une spécification.

L'usine utilise 13 transformateurs de convertisseur selon deux configurations. Les six variateurs de 1 100 kW de la cage intermédiaire sont appariés sur trois unités trienroulements de 3 200 kVA avec un secondaire Dy et un secondaire Dd décalés de 30° : les deux ponts à 6 pulsations se comportent alors comme un redresseur à 12 pulsations, et les 5e et 7e harmoniques circulent entre les secondaires au lieu de se propager dans le jeu de barres 11 kV. Les dix variateurs de 600 kW de la cage finisseuse disposent chacun d'une unité bi-enroulements de 800 kVA ; à cette puissance, les liaisons par câble sont courtes, les variateurs sont individuellement petits, et l'appariement ajouterait un câblage de déphasage de 30° pour un bénéfice minime.

Où arrête-t-on les harmoniques — au variateur, au jeu de barres 11 kV, ou au PCC 33 kV ?

Un seul point est contractuel : le point de raccordement commun avec le réseau public, qui correspond ici aux bornes d'arrivée 33 kV, et la limite applicable est celle du Tableau 2 de l'IEEE 519 pour 1 kV < V ≤ 69 kV. La limite dépend du rapport entre le courant de court-circuit et le courant de charge ; la première chose à calculer est donc ce rapport : 2,08 kA de courant de défaut à 33 kV divisés par 198 A de courant de charge de pointe donnent 10,5, ce qui place l'usine dans la bande Isc/IL < 20, où la distorsion de demande totale doit rester inférieure ou égale à 5,0 %, les 5e et 7e harmoniques à 4,0 % chacune, les 11e et 13e à 2,0 %, et les 17e et 19e à 1,5 %. Notons qu'il s'agit de la bande la plus stricte, et qu'un laminoir dont le courant de charge diminue — fonctionnant à 40 % de sa production dans un marché de l'acier défavorable — s'y enfonce davantage au lieu d'en sortir, car le rapport augmente lorsque la charge diminue.

La conception règle le problème sans filtre 33 kV, et uniquement parce que les sources d'harmoniques sont traitées au niveau du variateur. Les deux cages dégrossisseuses de 2 300 kW utilisent des redresseurs à commutation active, dont la distorsion propre est de 3–5 %. Les paires dodécaphasées du train intermédiaire injectent 8–9 % dans le bus 11 kV mais annulent les 5e et 7e à leur source. Les dix variateurs hexaphasés du train finisseur constituent le problème résiduel : 26–30 % chacun, atténués par le fait qu'ils sont petits, commutés individuellement et partiellement annulés par la diversité. L'agrégat à 33 kV, calculé par sommation avec la méthode des angles de phase plutôt que par addition arithmétique, atteint 4,2 % de TDD avec la 5e à 3,1 %, et c'est la marge sur laquelle fonctionne le laminoir.

Les 2 × 1 200 kVAr de batteries de condensateurs qui corrigent le facteur de puissance doivent être désaccordées, et la raison en est la résonance que le laminoir créerait autrement. L'alimentation 11 kV présente un niveau de court-circuit de 119 MVA ; une batterie simple de 1 200 kVAr placerait la résonance parallèle à la 10e harmonique (la racine carrée de 119 000/1 200), qui tombe précisément sur les courants harmoniques 11 et 13 produits par les variateurs du train finisseur. Une réactance de 7 % abaisse la résonance série à 189 Hz — la 3,8e harmonique à 50 Hz — bien en dessous de la 5e, de sorte que la batterie est capacitive à toutes les harmoniques produites par le laminoir et ne peut pas les amplifier. Cela représente un surcoût de 6 000 USD sur la batterie et ce n'est pas optionnel ; le mécanisme est exposé dans harmoniques des transformateurs, et c'est la même raison pour laquelle le contacteur de condensateur doit être de type adapté au désaccord plutôt qu'un contacteur AC-3 standard.

Les transformateurs de convertisseur doivent-ils être moulés en résine ou immergés dans l'huile ?

Pour les treize unités de convertisseur, la résine moulée l'emporte sur le risque d'incendie et perd sur la tolérance à la poussière, et la décision concerne en réalité le local plutôt que le transformateur. Une unité moulée en résine n'a pas d'huile à confiner, pas de mur coupe-feu, pas de dégagement de 5 m par rapport aux panneaux de variateurs, et ses pertes sont dissipées directement depuis la surface du bobinage dans l'air du local, de sorte qu'elle peut être installée à l'intérieur de la salle des variateurs à côté des panneaux qu'elle alimente — ce qui raccourcit la longueur de câble 690 V, et sur un variateur de 600 kW le câble constitue la deuxième plus grande perte après le transformateur. Le revers de la médaille est que cette même surface de bobinage exposée est un piège à poussière : dans un laminoir où la poussière de calamine et le brouillard de lubrifiant graphité sont partout, un bobinage moulé en résine qui n'est pas dans une enveloppe IP54 à ventilation filtrée accumulera une couche conductrice et produira un contournement en quelques années, et ni l'enveloppe ni le filtre ne sont gratuits.

Les transformateurs principaux sont une autre question. À 12,5 MVA, l'unité immergée dans l'huile est 30–40 % moins chère qu'une unité moulée en résine équivalente, sa capacité de surcharge de courte durée est bien meilleure, et elle a sa place en extérieur dans une enceinte clôturée avec mur coupe-feu, fosse à huile et portique 33 kV. Seuls le bruit et le dégagement incendie plaident pour le type sec à cette puissance, et dans un laminoir à béton armé la limite de bruit à vide est de 62–65 dB(A) à 1 m, ce qui reste dans le niveau de bruit de fond du laminoir lui-même.

La conception retenue est la suivante : résine coulée, IP54, K-13 pour les dix unités de finition de 800 kVA à l'intérieur de la salle d'entraînement ; résine coulée K-9 pour les trois paires intermédiaires de 3 200 kVA dans la même salle, car les déplacer à l'extérieur ferait traverser un mur aux câbles 690 V et ajouterait 15 m de cheminement ; et immergé dans l'huile ONAN/ONAF pour les deux transformateurs principaux de 12,5 MVA et les quatre transformateurs auxiliaires et de four de 11/0,4 kV. C'est un ensemble mixte, et un fournisseur unique qui fabrique les deux technologies vaut ici plus qu'un avantage de prix de 3 % obtenu en scindant la commande — la comparaison des deux technologies au niveau de la distribution figure dans immergé dans l'huile vs type sec.

Comment maintenir en vie un transformateur de 12,5 MVA à 45 °C, dans la poussière de calamine, avec l'humidité de la mousson ?

Quatre éléments décident si ce transformateur atteindra 25 ans ou tombera en panne à 12 : la marge de refroidissement, la protection contre la corrosion, la ligne de fuite des traversées et la surveillance de l'état de l'huile. La marge de refroidissement est la moins coûteuse et la plus souvent réduite. À une température ambiante de 45 °C, la batterie de radiateurs doit dissiper les mêmes pertes dans un air 5 K plus chaud que la base de dimensionnement, ce qui exige 8–10 % de surface de radiateur en plus par rapport à une conception standard à 40 °C, et impose que l'étage ONAF soit accessible sans arrêt : quatre ventilateurs en deux groupes, chaque groupe capable de maintenir 90 % de la puissance forcée avec un ventilateur hors service, et une commande des ventilateurs par la température du bobinage plutôt que par le courant de charge, car le bobinage subit la charge harmonique et cyclique que le transformateur de courant ne voit pas. Le comportement thermique des unités ONAN et ONAF sous charge cyclique est décrit dans méthodes de refroidissement et échauffement ; la règle d'exploitation de cette usine est que l'étage ONAF ne doit jamais être nécessaire un jour normal, et doit être prouvé par essai le jour de sa mise en service.

La corrosion est un poste de spécification, pas une couleur de peinture. Un poste d'usine situé à 5 km de la côte subit des dépôts de chlorures, et le transformateur est spécifié selon ISO 12944 C5-M : primaire riche en zinc, intermédiaire époxy, finition polyuréthane sur 240 µm au total, radiateurs galvanisés avec ailettes revêtues après soudage, boulons en acier inoxydable et tuyau de reniflard en acier inoxydable. L'armoire de commande est IP55 avec un chauffage, car le mode de défaillance en climat humide n'est pas l'infiltration d'eau pendant la pluie mais la condensation à l'intérieur d'une armoire étanche qui refroidit la nuit. Les traversées sont en composite plutôt qu'en porcelaine : au niveau de pollution IV de l'IEC 60815 (très fort, ce qui correspond à une usine poussiéreuse avec l'humidité de la mousson), l'exigence de ligne de fuite est de 31 mm/kV, si bien qu'une traversée 36 kV nécessite environ 1 100 mm de ligne de fuite — la porcelaine à cette ligne de fuite est longue et fragile, le composite silicone est plus court, plus léger et ne se brise pas lorsqu'une grue laisse tomber un fagot d'aciers sur le portique.

C'est sur l'état de l'huile que se gagne ou se perd réellement la durée de vie de 25 ans. Le transformateur est spécifié avec un relais Buchholz à double contact à flotteur, deux indicateurs de température de bobinage avec contacts d'alarme et de déclenchement, un dispositif de décharge de pression avec contact et un indicateur magnétique de niveau d'huile ; la mise en service comprend un prélèvement DGA après 24 h en charge, un autre à un an, puis annuellement. La raison est que ce transformateur fonctionne sous une charge cyclique avec une variation quotidienne de 3–4 MW en plus d'une température ambiante de 45 °C, ce qui est exactement le régime qui génère des défauts thermiques dans un joint boulonné ou un contact de changeur de prises avant de produire le moindre symptôme externe. Ce qu'il faut rechercher dans le profil des gaz est décrit dans interprétation DGA ; la règle pratique est qu'une hausse d'éthylène avec acétylène stable signifie un point chaud, et qu'un acétylène en hausse signifie qu'il faut arrêter l'usine et le localiser.

Quelles pertes faut-il capitaliser dans une usine qui fonctionne 7 200 heures ?

Ce n'est pas le prix, mais l'évaluation des pertes qui détermine le grade de pertes, et l'arithmétique est simple une fois les heures connues. Les pertes à vide s'élèvent à 8 760 h/an, car le transformateur reste sous tension pour le circuit de secours ; les pertes en charge correspondent à environ 3 300 heures à pleine charge, car la demande moyenne de l'usine de 7,3 MW pour une capacité de 11,9 MVA donne (7,3/11,9)² × 8 760 = 3 300 h. À 0,09 USD/kWh de coût industriel de l'énergie — un chiffre réaliste pour les marchés où cette aciérie est construite — ces heures valorisent les pertes à vide à 788 USD/kW et les pertes en charge à 268 USD/kW. C'est une évaluation bien plus faible que celle d'un distributeur d'électricité (où des facteurs de capitalisation de 4 000–9 000 USD/kW pour les pertes à vide sont courants), et c'est pourquoi un acheteur industriel ne doit pas simplement recopier la spécification de pertes d'un distributeur.

Deux remarques sur ce tableau valent plus que les chiffres eux-mêmes. Premièrement, la redondance double la facture des pertes à vide : les deux arrivées principales sont sous tension en permanence, si bien que l'usine paie les pertes à vide sur 25 MVA de capacité installée pour desservir une charge de 11,3 MVA. Mettre hors tension le secours les réduirait de moitié, mais un transfert de barres depuis un transformateur hors tension prend 2–3 s, pendant lesquelles les variateurs de l'aciérie et les ventilateurs du four déclenchent ; l'usine maintient donc les deux sous tension et paie. C'est ce qui rend le surcoût du S13 si facile à justifier ici — il s'applique aux deux unités, à chaque heure de l'année. Deuxièmement, c'est dans la colonne des pertes en charge que se trouve réellement l'argent : réduire les pertes en charge de 60 à 48 kW en ajoutant du cuivre vaut 6 400 USD par an sur deux unités, tandis que l'économie à vide du S13 vaut 3 940 USD, et l'option cuivre procure plus du double de cette économie pour un retour sur investissement à un mois près de celui du S13. Le biais habituel en faveur des pertes à vide vient de la pratique des distributeurs, où les transformateurs fonctionnent près de la pleine charge 8 760 h ; ce n'est pas le cas de cette aciérie. La comparaison des grades au niveau de la distribution figure dans comparaison des grades de pertes, et la même logique s'applique : aux heures industrielles, les pertes en charge méritent au moins autant d'attention que les pertes à vide.

Combien coûte le lot de transformateurs, et quel est le délai de livraison ?

Le lot pour cette usine comprend treize transformateurs de convertisseur, deux arrivées principales et quatre unités auxiliaires — 19 unités, 51 MVA de capacité installée — et il revient à 540 000–680 000 USD FOB Chine selon que les unités de convertisseur sont en résine coulée et que les arrivées principales adoptent le noyau S13. Cela représente 0,3–0,6 % du coût d'investissement de 120–180 millions USD d'une aciérie de 500 000 t/an, ce qui plaide pour ne pas trop l'optimiser : une économie de 5 % sur les transformateurs représente 30 000 USD, tandis qu'un problème d'harmoniques ou de creux de tension à la mise en service coûte un mois de production.

Deux faits logistiques modifient le calendrier plus que le temps de fabrication. Les transformateurs principaux de 12,5 MVA pèsent 22–26 t chacun et voyagent sur un flat-rack de 40 pieds ou en colis lourd, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas être le dernier élément expédié avant que la saison des pluies ne ferme une route portuaire ; et les transformateurs de convertisseur doivent arriver après les armoires de variateurs, car leurs interfaces de jeux de barres 690 V sont adaptées à la disposition des armoires, de sorte qu'une usine qui achète les deux auprès du même fournisseur économise un mois de plans d'interface. Les essais de routine selon IEC 60076-1 plus un essai de type en élévation de température ajoutent 2–3 semaines, et un essai de réception en usine avec témoin — que ce lot devrait comporter, étant donné que les transformateurs principaux constituent le point unique de défaillance de l'usine — ajoute une semaine du temps de l'ingénieur de l'acheteur, pas celui de l'usine. Les essais de mise en service pour l'ensemble, y compris le rapport de transformation, le groupe vectoriel, la résistance d'isolement, la SFRA et l'injection des relais de protection, sont décrits dans commissioning tests, et le fonctionnement en parallèle des deux transformateurs principaux, si l'usine les fait un jour fonctionner couplés, est limité par la tolérance d'impédance de 8 % dans parallel operation.

Que doit indiquer le cahier des charges d'achat ?

Le cahier des charges de ce lot tient en quatorze lignes, et sept d'entre elles concernent le climat de l'usine, les harmoniques et les cycles de charge plutôt que la puissance du transformateur. Tout ce qu'un fournisseur peut lire dans un catalogue standard n'a pas besoin d'être écrit ; ce qui doit l'être, c'est l'enveloppe de fonctionnement.

• Puissance à 45 °C d'ambiance, avec le déclassement indiqué explicitement : 12,5 MVA ONAN et 16 MVA ONAF à 40 °C, et la capacité garantie à 45 °C chiffrée dans l'offre.
• Élévation de température 55 K en huile supérieure et 60 K en moyenne d'enroulement à la puissance ONAF, au lieu des 60/65 K standard, afin que le point chaud reste sous 98 °C à 45 °C d'ambiance.
• Impédance 8 % avec une tolérance de ±7,5 % sur la valeur garantie, ce qui correspond à la tolérance IEC 60076-1 et explique pourquoi deux unités de fournisseurs différents ne peuvent être mises en parallèle sans calcul de courant de circulation.
• OLTC ±8 × 1,25 % sur l'enroulement 33 kV, de type à vide, avec le nombre de manœuvres par an indiqué (cette usine : 1 500–2 500) afin que le changeur de prises soit sélectionné sur sa durée de vie mécanique, et non sur son prix.
• Service harmonique pour les unités de convertisseur : K-13 pour les unités de 800 kVA et K-9 pour les paires de 3 200 kVA, avec le spectre harmonique supposé et le profil de charge imprimés sur la fiche technique.
• Niveau d'isolement LI 170 kV / AC 70 kV pour l'enroulement 33 kV (Um 36 kV), et ligne de fuite de 31 mm/kV sur les traversées composites selon le niveau de pollution IV de l'IEC 60815.
• Classe de corrosion C5-M selon ISO 12944, 240 µm d'épaisseur totale de film sec, radiateurs galvanisés, fixations inoxydables, armoire de commande IP55 avec résistance anti-condensation.
• Pertes garanties avec clause de pénalité à 788 USD/kW pour les pertes à vide et 268 USD/kW pour les pertes en charge — les mêmes chiffres que l'acheteur utilise en interne, afin qu'un fournisseur ne puisse pas remporter l'appel d'offres en échangeant des pertes contre du prix.
• Niveau de pression acoustique 65 dB(A) à 1 m pour les transformateurs principaux, mesuré selon IEC 60076-10, avec la position de mesure indiquée.
• Essais : de routine selon IEC 60076-1, élévation de température selon IEC 60076-2, choc de foudre, et un FAT avec témoin en présence de l'ingénieur de l'acheteur pour les transformateurs principaux.
• Surveillance : deux WTI avec alarme et déclenchement, Buchholz à double flotteur, soupape de décharge avec contact, indicateur magnétique de niveau d'huile, et un point de prélèvement DGA accessible à un technicien sans échelle.
• Documentation : plans de soumission sous 3 semaines après commande, rapports d'essais, manuel d'exploitation et de maintenance en anglais et dans la langue du site, liste de pièces de rechange avec recommandations à 2 ans et 10 ans.
• Garantie de 24 mois à compter de la mise en service ou de 30 mois à compter de la livraison, avec pénalités pour retard de livraison et pour garanties de pertes manquées de plus de 5 %.
• Emballage et transport : conditionnement maritime, décision indiquée entre remplissage à l'azote ou à l'huile, indicateurs de choc et d'inclinaison installés, et un plan de transport montrant le centre de gravité et les points de levage, car un transformateur de 30 t échappé dans un port, c'est 16 semaines de retard.

Qu'est-ce qui tombe réellement en panne dans les transformateurs de laminoir à barres ?

Dans ce régime de service, les défaillances qui coûtent de la production ne sont pas des claquages d'isolation des enroulements au sens classique ; ce sont cinq choses qui apparaissent dans un ordre précis. La première est le changeur de prises en charge, car la demande du laminoir varie de 3–4 MW en une minute et la tension amont suit, de sorte qu'un OLTC en automatique effectuera 1 500–2 500 manœuvres par an à la poursuite d'une tension dont les variateurs n'ont pas besoin — la solution consiste à réguler au niveau des variateurs et à mettre l'OLTC en manuel, en l'utilisant de façon saisonnière. La deuxième est le point chaud de l'enroulement basse tension sur les transformateurs de convertisseurs achetés avec un indice K inférieur au spectre réel, où le vieillissement de l'isolation double pour chaque 6 K au-dessus du point chaud de conception et l'unité tombe en panne à 10–12 ans au lieu de 25. La troisième est constituée par les fuites de joints et de soudures après 8–10 ans de cyclage thermique quotidien sous climat chaud, ce qui est un poste de maintenance si l'huile est surveillée et une défaillance si elle ne l'est pas. La quatrième est la défaillance du moteur de ventilateur de refroidissement, invisible jusqu'à ce que l'étage ONAF soit nécessaire l'après-midi même où il l'est — l'alarme doit être câblée vers la salle de contrôle, et non vers une lampe locale. La cinquième est l'amorçage par pollution des traversées au début de la mousson, lorsque six mois de poussière deviennent conducteurs en une nuit ; des traversées composites avec revêtement RTV et un lavage programmé avant les pluies constituent l'intégralité de la mitigation.

Aucune de ces défaillances n'est une erreur de conception, et toutes sont des décisions de spécification et d'exploitation prises avant la commande du transformateur. C'est la raison pour laquelle cet article consacre sa longueur aux profils de charge, à la correction d'ambiance, à l'impédance et aux spectres harmoniques plutôt qu'à la construction noyau-bobines : à 500 000 t/an, le transformateur n'est pas la partie difficile de la conception électrique, mais c'est la partie qui ne peut pas être corrigée une fois le laminoir construit. La moitié amont de cette usine — l'aciérie qui l'approvisionne en billettes — a sa propre logique de dimensionnement, exposée dans electric arc furnace transformer sizing, et un laminoir qui exploite les deux constatera que le four de réchauffage et le train de laminage réunis constituent une charge bien plus bénigne que le four à arc derrière lequel ils se trouvent.

Sources / 资料来源

Source : IEC 60076-1 — Transformateurs de puissance : Généralités (caractéristiques assignées, tolérances, essais individuels).
Source : IEC 60076-2 — Transformateurs de puissance : Échauffement des transformateurs immergés dans un liquide (référence d'ambiance 40 °C maximum, 30 °C mensuelle, 20 °C annuelle).
Source : IEC 60076-7 — Transformateurs de puissance : Guide de charge pour transformateurs de puissance immergés dans l'huile minérale (limites de point chaud, charge cyclique).
Source : IEC 60076-10 — Transformateurs de puissance : Détermination des niveaux de bruit.
Source : IEC 60076-11 — Transformateurs de puissance : Transformateurs à sec.
Source : IEC 60909 — Courants de court-circuit dans les réseaux triphasés à courant alternatif.
Source : IEC 61378-1 — Transformateurs de convertisseurs pour applications industrielles.
Source : IEC 60815 — Choix et dimensionnement des isolateurs haute tension destinés à être utilisés en conditions polluées.
Source : ISO 12944 — Anticorrosion des structures en acier par systèmes de peinture protectrice (catégorie C5-M).
Source : IEEE 519 — Pratique recommandée et exigences pour la maîtrise des harmoniques dans les réseaux électriques (Tableau 2, 1 kV < V ≤ 69 kV).
Source : IEEE C57.110 — Pratique recommandée pour établir la capacité d'un transformateur lorsqu'il alimente des courants de charge non sinusoïdaux (base de l'indice K).
Source : GB/T 6451 — Paramètres techniques et exigences pour les transformateurs de puissance triphasés immergés dans l'huile.
Source : World Steel Association, World Steel in Figures — production mondiale d'acier brut d'environ 1,9 milliard de tonnes, dont les produits longs pour la construction constituent la plus grande part individuelle.
Source : QDTB Engineering Team — fourniture de transformateurs immergés dans l'huile et à résine coulée pour laminoirs à barres à béton, fils machine et profilés au Nigeria, au Kenya, en Indonésie, au Vietnam, en Égypte et en Arabie saoudite, 2014–2025 (consommation spécifique, rapports pic/moyenne, pratique d'impédance, spectres harmoniques, choix de l'indice K, fourchettes de prix et délais cités ici sont des valeurs d'expérience industrielle, et non des normes publiées).