La réponse d'abord : une usine sucrière-éthanol de 20 000 TCD représente une charge de 33,5 MW sur une centrale de 100 MW, et trois décisions relatives aux transformateurs déterminent si elle exporte 62 MW
Une sucrerie broyant 20 000 tonnes de canne par jour — 833 t/h pendant 200 jours — brûle sa propre bagasse dans deux chaudières de 250 t/h à 85 bar, entraîne une turbine à extraction-condensation de 60 MW et une turbine à contre-pression de 40 MW sur un bus de 13,8 kV, et vend 62 MW au réseau à 138 kV. Sa propre demande n'est que de 33,5 MW à un facteur de puissance de 0,93, ce sont donc les transformateurs sur le chemin d'exportation, et non la charge, qui définissent la conception. Trois décisions dominent l'ensemble : une batterie 138 kV de 2 × 50 MVA qui supporte encore 96 % de l'exportation de pointe sur une seule unité, une impédance de 8 % sur les transformateurs de sucrerie 13,8/4,16 kV qui limite le creux de tension au démarrage d'un broyeur de 1 600 kW à 7 %, et des groupes à 12 pulsations plus 8 MVAr de filtrage désaccordé qui maintiennent le TDD de courant au point de raccordement commun à 138 kV sous les 5 % que le distributeur inscrit dans le contrat d'achat d'électricité. Réussissez ces trois choix et l'ensemble des transformateurs coûte entre 2,4 et 2,9 millions USD sur une usine qui coûte cent fois ce montant ; ratez-les et vous ne pouvez soit pas livrer les 62 MW contractuels, soit payer un tarif de pénalité pendant vingt saisons. Les calculs de charge, de pertes et de creux de tension peuvent être reproduits avec les calculateurs de systèmes électriques.
Points clés à retenir
- 833 t/h de canne à environ 40 kWh/t pour le broyage, le process et la distillerie représentent 33,5 MW — mais c'est le contrat d'exportation de 62 MW, et non la charge de 33,5 MW, qui dimensionne les transformateurs 138 kV et leurs changeurs de prises.
- L'inversion du flux de puissance réécrit la spécification : changeur de prises en charge côté HT, protection 32/67 sensible à la direction, anti-îlotage sur le bus 13,8 kV, et des pertes à vide payées 8 760 heures par an au lieu de 4 800.
- Une impédance de 8 % sur un transformateur de sucrerie de 12,5 MVA 13,8/4,16 kV donne 21,7 kA de courant de défaut et un creux de 7 % au démarrage du broyeur ; 6 % réduit le creux à 5,2 % mais impose un appareillage de 31,5 kA, et 10 % est économique mais provoque un creux de 8,7 % et déclenche les contacteurs de la sucrerie elle-même.
- 20 MW de variateurs de fréquence à six pulsations produisent 28 % de THD de courant au niveau du variateur mais seulement environ 12 % au bus 13,8 kV ; la limite de 5 % à 138 kV s'obtient avec des enroulements appariés à 12 pulsations et des filtres, jamais avec un transformateur plus grand.
- Dans une usine qui fonctionne 4 800 heures et tourne à vide 3 960 heures, un kilowatt de pertes à vide se capitalise à 5 600 USD et un kilowatt de pertes en charge à 2 270 USD — c'est pourquoi l'évaluation des pertes, et non le prix d'achat, devrait décider de l'attribution.
Quelle charge électrique une sucrerie de 20 000 TCD avec distillerie d'éthanol présente-t-elle réellement ?
La charge est exceptionnellement stable. La canne arrive à un débit constant car elle doit être broyée dans les 24 heures suivant la coupe, le tandem tourne à vitesse fixe et la distillerie est un procédé continu. Entre le début de la saison et le dernier camion de bagasse, la demande varie de moins de 8 %. C'est l'inverse d'une usine automobile, et cela signifie que le régime du transformateur est une longue imprégnation thermique régulière plutôt qu'un régime cyclique — mais cela signifie aussi que la charge n'est présente que 200 jours.
| Groupe de charge | Connecté (MW) | Demande maximale (MW) | Ce qui détermine le chiffre |
|---|---|---|---|
| Parc à canne, déchargement et préparation (2 × broyeurs de 1 600 kW, niveleur, convoyeurs) | 3,8 | 3,2 | Vitesse périphérique des couteaux du broyeur et densité du matelas de canne ; les deux broyeurs fonctionnent ensemble |
| Tandem de broyage, 6 moulins × 1 400 kW, VFD | 8,4 | 7,6 | Environ 12 kWh/t de canne pour un tandem à 6 moulins avec entraînements par turbines remplacés par des moteurs électriques |
| Chaufferie : ventilateurs FD/ID, pompes d'alimentation, manutention de bagasse et de cendres | 4,5 | 4,0 | Deux unités de 250 t/h, une seule en charge hors pointe de broyage |
| Chauffage du jus, clarification, évaporateurs, cuites sous vide, essoreuses | 6,4 | 5,2 | Moteurs de pompes et d'essoreuses, en grande partie VFD ou démarrage progressif |
| Distillerie : fermentation, colonnes de distillation, déshydratation par tamis moléculaire, eau de refroidissement | 7,6 | 6,8 | 1 100 m³/j d'éthanol hydraté à environ 6,2 kWh/m³ |
| Prise d'eau, tours de refroidissement, air comprimé, traitement des effluents | 2,4 | 2,1 | Continu, dépendant des conditions météorologiques pour la tour de refroidissement |
| Séchage, refroidissement, ensachage du sucre, entrepôt | 2,0 | 1,6 | Deux sécheurs et quatre lignes d'ensachage |
| Éclairage, CVC, laboratoire, atelier, administration | 1,8 | 1,4 | Équipe de nuit à 80 % de l'équipe de jour |
| Pertes des transformateurs de distribution à l'intérieur de l'usine | — | 1,6 | Somme des pertes à vide et en charge pour la demande ci-dessus |
| Total | 38,5 | 33,5 MW / 36 MVA | À un facteur de puissance d'usine de 0,93 |
Deux conclusions en découlent. Premièrement, 33,5 MW est faible comparé aux 100 MW installés en amont, ce qui explique pourquoi une sucrerie est exportatrice nette pendant huit mois et importatrice de 6,5 MW pendant quatre mois. Deuxièmement, la consommation spécifique d'environ 40 kWh/t de canne est le chiffre que l'on compare entre projets, et il est décidé bien avant l'achat des transformateurs — par le fait que le tandem soit électrifié ou entraîné par turbine à vapeur, et par la part de jus dirigée vers l'éthanol. L'ingénieur transformateurs hérite de la réponse et doit la faire fonctionner à 4,16 kV avec 21,7 kA de courant de défaut.
Pourquoi le bus de production 13,8 kV est-il la colonne vertébrale de l'usine, et non le bus de sucrerie 4,16 kV ?
Parce que 100 MW ne peuvent pas être transportés à 4,16 kV. Une machine de 60 MW à 4,16 kV délivrerait 8 600 A à ses bornes, ce qui nécessite quatre câbles en parallèle par phase et un disjoncteur de générateur qui n'existe pas à ce calibre. À 13,8 kV, la même machine délivre 2 600 A et un disjoncteur standard de 3 150 A, et l'unité de contre-pression de 40 MW fournit 1 750 A supplémentaires. Chaque charge importante est alors alimentée en aval du bus de production, et le transformateur de réseau est alimenté en amont de celui-ci.
| Tension | Ce qui s'y trouve | Transformateurs | Niveau de défaut | Mise à la terre |
|---|---|---|---|---|
| 138 kV | Raccordement au réseau, comptage de facturation, protection de ligne | 2 × 50 MVA, 138/13,8 kV, YNd11, Z = 12 %, OLTC côté HT | Défini par le distributeur, typiquement 4 000–6 000 MVA | Mise à la terre directe au poste du distributeur |
| 13,8 kV | Deux générateurs, banc GSU, six départs d'usine, filtre 8 MVAr | Élévateur de générateur et départs 13,8/4,16 kV et 13,8/0,48 kV | 26 kA avec les deux générateurs et les deux GSU en service | Résistance de mise à la terre du neutre de 400 A par générateur, 10 s |
| 4,16 kV | Tandem de sucrerie, défibreurs, ventilateurs de chaudière, grandes pompes | 2 × 12,5 MVA, 13,8/4,16 kV, Dyn11, Z = 8 % | 21,7 kA par transformateur | Mise à la terre à faible résistance, 200 A, 10 s |
| 480 V | Distillerie, sucrerie, traitement des eaux, MCC | Type sec K-13, 2 500 kVA et 2 000 kVA, 13,8/0,48 kV | 42 kA aux bornes secondaires | Mise à la terre directe à chaque transformateur |
| 480/277 V | Éclairage, CVC, alimentations d'instruments | Type sec 1 000 kVA | 25 kA | Mise à la terre directe |
Le bus 13,8 kV est aussi le lieu où se décide l'identité électrique de l'usine. C'est le seul bus qui voit à la fois la production et la charge, c'est donc le bus qui doit survivre à la perte du réseau en pleine broyage : les générateurs doivent reprendre 33,5 MW en environ deux secondes, sinon toute l'usine déclenche, les défibreurs et les moulins s'arrêtent en roue libre, et le programme de maintenance de la saison est réécrit. C'est un problème de contrôle et de protection, mais c'est aussi un problème de transformateurs, car le banc GSU constitue l'impédance entre ce bus et la seule autre source d'énergie dont dispose l'usine.
Comment dimensionner le banc de transformateurs 138 kV pour 62 MW de flux de puissance inverse ?
Selon les chiffres, 62 MW à un facteur de puissance de 0,97 correspondent à 64 MVA, et une unité unique de 50 MVA serait surchargée à 128 % pendant toute la saison. Le banc est donc constitué de deux unités, et la question devient ce qu'une unité doit supporter lorsque l'autre est hors service. Avec un refroidissement ONAF, une unité de 50 MVA est nominalement de 66,7 MVA, l'export en N-1 représente donc 96 % de la puissance nominale à 40 °C ambiant — acceptable pour quelques semaines de la saison, inacceptable comme condition permanente, ce qui explique pourquoi le contrat d'export contient également un plafond ferme de 55 MW.
| Cas | Export ou import | Charge du banc | Signification |
|---|---|---|---|
| Broyage de pointe, deux unités en service | 62 MW / 64 MVA | 48 % de 133 MVA ONAF | Point de fonctionnement normal, le refroidissement ONAN suffit en dessous de 50 MVA au total |
| Broyage de pointe, une unité hors service | 62 MW / 64 MVA | 96 % de 66,7 MVA ONAF | Autorisé avec un plafond de 55 MW et un contrôle quotidien de la température d'huile supérieure toutes les 6 heures |
| Hors saison, maintenance | Import de 6,5 MW | 7 % d'une unité | Sens inverse ; l'OLTC régule désormais depuis le côté réseau |
| Démarrage autonome d'un générateur | Import de 4 MW via une unité | 6 % d'une unité | Chemin par le transformateur auxiliaire d'unité, GSU alimenté depuis le réseau |
| Support réactif de nuit | 0 MW, export de 20 MVAr | 20 MVA à facteur de puissance capacitif | La position de prise et la limite de l'AVR déterminent si le banc risque une sursaturation |
L'inversion de flux est le point où la plupart des spécifications sont erronées, car le transformateur lui-même ne se soucie pas du sens de circulation de l'énergie, mais tout ce qui l'entoure s'en soucie. Quatre éléments changent. Le changeur de prises en charge passe à l'enroulement HT, de sorte qu'une variation de tension réseau de ±10 % est absorbée du côté 138 kV et que le jeu de barres 13,8 kV reste dans une plage de 1 % — placer l'OLTC du côté BT d'un GSU est une erreur courante de modèle d'importation et cela place aussi le changeur de prises dans le circuit de défaut de 26 kA. Le schéma de protection nécessite des éléments 32 (puissance inverse) et 67 (surintensité directionnelle) avec le sens réglé pour l'export, plus le différentiel 87T, la sauvegarde 51/51N, le Buchholz 63, la protection thermique 26/49 et les déclenchements température d'enroulement et d'huile 49/38 ; le côté usine de ce schéma est décrit dans dispositifs de protection des transformateurs. L'exigence anti-îlotage du distributeur, généralement IEEE 1547 ou le code de réseau local, s'applique au point de raccordement commun et est mise en œuvre sur les disjoncteurs du générateur 13,8 kV, et non sur le GSU. Et le groupe vectoriel doit être YNd11 avec le neutre mis à la terre fermement du côté 138 kV, car la protection contre les défauts à la terre du distributeur en dépend — le raisonnement derrière les choix Dyn11 versus Yyn0 est exposé dans groupe vectoriel Dyn11 et Yyn0.
Le fonctionnement en parallèle des deux unités mérite sa propre ligne dans la spécification. Deux transformateurs de 50 MVA avec une impédance de 12 % se partageront 64 MVA presque exactement si leur impédance diffère de moins de 5 % et que leurs rapports correspondent à la même prise, mais une unité à 12 % en parallèle avec une unité à 11,4 % prend 51 % de la charge, et l'écart s'accentue avec l'export. Exigez une tolérance d'impédance de ±5 % de la valeur déclarée, des positions de prises correspondantes et une mesure en usine des deux unités afin que le partage de charge puisse être calculé avant leur départ de l'usine — la méthode est décrite dans fonctionnement en parallèle des transformateurs. La même impédance de 12 % qui permet aux unités de bien se partager la charge limite également la contribution au défaut 13,8 kV de chaque GSU à 17,4 kA, ce qui maintient les disjoncteurs du générateur dans leur calibre de 26 kA.
Pourquoi le démarrage d'un broyeur de 1 600 kW décide-t-il de l'impédance du transformateur de l'usine ?
Parce que le broyeur est le plus gros moteur de l'usine encore démarré en direct, et que la chute de tension qu'il produit est directement fonction de l'impédance du transformateur. Un moteur de 1 600 kW, 4,16 kV, avec un rendement de 0,95 et un facteur de puissance de 0,93 absorbe 251 A à pleine charge. À un courant à rotor bloqué de 6,0 fois la pleine charge, il absorbe 1 506 A, soit 10,85 MVA de charge de démarrage. Un transformateur de 12,5 MVA avec une impédance de 8 % a une puissance de court-circuit de 156 MVA, donc la chute à ses bornes est de 10,85 divisé par 156, soit 6,9 %, et d'environ 7,4 % une fois l'impédance de la source 13,8 kV incluse.
| Impédance du transformateur | Puissance de court-circuit | Courant de défaut 4,16 kV | Chute au démarrage du broyeur | Conséquence sur le coût |
|---|---|---|---|---|
| 6 % | 208 MVA | 28,9 kA | 5,2 % | Appareillage 31,5 kA, câble plus gros, renforcement plus lourd |
| 8 % (spécifié) | 156 MVA | 21,7 kA | 6,9 % | Appareillage 25 kA, démarreurs de moteur d'usine standard |
| 10 % | 125 MVA | 17,4 kA | 8,7 % | Appareillage 20 kA, mais deux démarrages simultanés provoquent une chute de 17 % |
7 % compte à cause de ce qui se trouve aussi sur le jeu de barres. À une chute de 7 %, les contacteurs des moteurs de l'usine tiennent, les VFD passent grâce à leurs liaisons DC, et les charges 480 V de l'usine voient 6 % après les départs 13,8 kV, ce qui reste dans les 10 % que l'IEC 61000-2-4 autorise pendant quelques secondes. Au-delà de 10 %, les contacteurs claquent, les centrifuges déclenchent, et le flickermètre du distributeur au point 138 kV enregistre un Pst supérieur à 1,0 pendant la campagne de broyage, ce qui constitue un événement contractuel. Démarrer les deux broyeurs ensemble double le MVA de démarrage à 21,7 MVA et la chute à environ 14 %, donc l'interverrouillage qui n'autorise qu'un seul grand démarrage DOL à la fois relève de la spécification électrique, et non de la procédure d'exploitation.
L'alternative est un VFD sur les broyeurs, qui plafonne le courant de démarrage à 110 % et élimine entièrement la chute, au coût d'environ 180 000 USD par variateur, plus la charge harmonique décrite ci-dessous. De nombreuses usines nouvelles prennent cette voie ; celles qui ne le font pas doivent acheter la marge d'impédance, et l'endroit le moins cher pour l'acheter est un transformateur à impédance plus faible plutôt qu'un transformateur plus gros. Choisir entre les deux est le même exercice que le dimensionnement de tout transformateur de démarrage moteur, et il vaut la peine de vérifier en même temps la tenue au court-circuit des équipements en aval — calcul du courant de court-circuit couvre l'arithmétique.
Quels harmoniques injecte une sucrerie, et où les arrête-t-on ?
Une sucrerie est une source d'harmoniques avec une dispersion inhabituellement large de tailles d'entraînements, et son point de raccordement commun est le jeu de barres 138 kV du réseau, où la limite est inscrite dans l'accord d'interconnexion. L'IEEE 519 s'applique à ce jeu de barres avec une distorsion de demande totale de 5 % dans la plupart des études d'interconnexion brésiliennes, thaïlandaises et indiennes pour une usine de cette taille, et de 8 % uniquement lorsque le rapport de court-circuit est supérieur à 50.
| Groupe d'entraînements | Puissance | Étage d'entrée | THD de courant au variateur | Contribution à 13,8 kV |
|---|---|---|---|---|
| Tandem de broyage, 6 × 1 400 kW | 8,4 MW | 12 pulses appariés (un secondaire Δ, un Y par paire) | 28 % par groupe 6 pulses, 9 % par paire | 3,1 % |
| Préparation de la canne, 2 × déchiqueteuses 1 600 kW | 3,2 MW | Redresseur actif | 4 % | 0,6 % |
| Pompes de distillerie, centrifugeuses, pompes de rebouilleur de colonne | 2,8 MW | 6 pulses, réacteur désaccordé | 30 % | 2,4 % |
| Ventilateurs FD/ID de chaudière et pompes d'alimentation | 1,5 MW | 6 pulses | 25 % | 1,0 % |
| Filtre et batterie de condensateurs, 8 MVAr désaccordés à 4,08 (5e) et 2,04 (7e) | — | Passif | — | −4,2 % (compensation) |
| Résultat à 13,8 kV | 15,9 MW d'entraînements | — | — | 2,9 % TDD |
| Résultat au PCC 138 kV | — | — | — | 2,1 % TDD pour une limite de 5 % |
Sans l'appariement 12 pulses et sans le filtre, le total à 13,8 kV est d'environ 12 %, ce qui s'atténue à environ 4,8 % à 138 kV — tout juste dans la limite sur le papier et certain de la dépasser lors de la prochaine extension. La raison pour laquelle l'atténuation compte est que l'impédance de 12 % du transformateur GSU et l'impédance de source du réseau sont en série avec les courants harmoniques, de sorte que la distorsion de tension au PCC est la distorsion de courant multipliée par l'impédance à chaque rang harmonique. C'est aussi pourquoi un transformateur plus gros est la mauvaise réponse : un GSU à impédance plus faible transmet plus de courant harmonique au réseau, pas moins.
Deux effets secondaires des harmoniques retombent sur les transformateurs eux-mêmes. Les transformateurs de sucrerie 4,16 kV portent 8,4 MW de charge 12 pulses, ce qui ajoute environ 4 % à leurs pertes par courants de Foucault et 3 K à leur point chaud d'enroulement ; cela est absorbé en spécifiant une élévation moyenne de température des enroulements de 65 K et en le vérifiant en usine par un essai d'échauffement sous charge harmonique, et non en surdimensionnant. Les transformateurs de distillerie 480 V portent une charge 6 pulses en K-13, ce qui est précisément là où le facteur K mord réellement. La méthode générale est décrite dans harmoniques des transformateurs et sélection de transformateurs à facteur K.
Pourquoi la distillerie a-t-elle besoin de son propre poste 13,8/0,48 kV et de transformateurs de classe K ?
Parce que la distillerie est un environnement électrique différent de celui de la sucrerie, et les mélanger est la façon dont les usines finissent avec des neutres surchargés et des jeux de barres 480 V surchauffés. La distillerie compte 2,8 MW de charge VFD 6 pulses concentrée dans les pompes et les centrifugeuses, une forte densité d'instrumentation électronique et une charge qui ne s'arrête jamais pendant la saison — trois équipes, 200 jours, à 6,8 MW. Son propre poste 13,8/0,48 kV avec transformateurs secs K-13 lui donne des niveaux de défaut séparés, un filtrage harmonique séparé et un emplacement unique pour raccrocher le système de mise à la terre.
| Transformateur | Puissance | Type | Pourquoi ce choix |
|---|---|---|---|
| Principaux distillerie 1 et 2 | 2 × 2 500 kVA, 13,8/0,48 kV | Coulé en résine, K-13, IP31, AN/AF | La charge non harmonique est de 4 MW ; le K-13 couvre les 2,8 MW de VFD 6 pulses sans déclassement |
| Sucrerie et ensachage | 2 000 kVA, 13,8/0,48 kV | Coulé en résine, K-4, IP31 | Principalement des moteurs sur démarreurs progressifs, faible contenu harmonique |
| Eau et effluents | 1 600 kVA, 13,8/0,48 kV | Coulé en résine, K-4, IP54 | Installation extérieure à côté des tours de refroidissement, risque de condensation |
| Secours et démarrage à froid | 1 250 kVA, 13,8/0,48 kV | Immergé dans l'huile, ONAN, IP54 | Alimenté par le groupe électrogène diesel, doit alimenter les pompes d'alimentation de chaudière et l'instrumentation |
Le facteur K n'est pas un argument marketing. Un transformateur de distribution standard conçu pour une charge sinusoïdale voit ses pertes par courants de Foucault augmenter avec le carré de la fréquence harmonique ; ainsi, un appareil K-4 supportant une charge K-13 surchauffe ses enroulements même à 70 % du courant nominal. Les appareils K-13 ci-dessus sont spécifiés avec le spectre harmonique dans le bon de commande et leur échauffement est vérifié à K-13, seul moyen de savoir que le point chaud reste sous 150 °C en fin de saison. En pratique, la surprime K-13 représente 12–18 % du prix du transformateur, et elle coûte moins cher que le remplacement d'un appareil de 2 500 kVA défaillant en pleine campagne de broyage.
Il existe aussi une raison liée à la qualité de tension justifiant un poste séparé. Les moulins et les déchiqueteuses produisent des creux de tension et la distillerie produit des harmoniques ; les placer sur le même jeu de barres 480 V signifie que les instruments de la distillerie subissent les creux du moulin et que les contacteurs du moulin subissent la distorsion de la distillerie. Les séparer à 13,8 kV coûte deux départs supplémentaires et procure deux domaines de qualité d'énergie indépendants, ce qui vaut plus que le câble.
Comment empêcher les vapeurs d'éthanol et la poussière de bagasse de pénétrer dans le transformateur ?
En traitant la distillerie comme une zone classifiée et la chaufferie comme une zone sale, car les deux dangers attaquent le transformateur de manières totalement différentes. La vapeur d'éthanol forme une enveloppe de Zone 2 autour des garnitures de pompes, des joints de brides et de la colonne de distillation, s'étendant typiquement sur 3 m pour la Zone 1 et 4,5 m de plus jusqu'à la limite de Zone 2 selon l'IEC 60079-10-1 pour un gaz IIA T3. Un transformateur immergé dans l'huile avec conservateur, évent d'explosion et dispositif de décompression ne peut pas être installé à l'intérieur de cette enveloppe ; il est placé à l'extérieur de la limite de Zone 2 avec ses radiateurs hors du panache, ou bien le poste est mis en surpression et le transformateur est à résine coulée, selon l'IEC 60079-13.
| Danger | Localisation | Mécanisme de défaillance | Réponse technique |
|---|---|---|---|
| Vapeur d'éthanol, IIA T3 | Fermentation, distillation, déshydratation | Pénétration de vapeur par le conservateur à gel de silice acidifiant l'huile ; corrosion des jeux de barres BT | Cuve étanche ou résine coulée, sans conservateur dans la zone classifiée, peinture C5-M, IP55 |
| Cendres volantes de bagasse et fibres de canne | Chaufferie, parc à bagasse, aire de broyage | Ailettes de radiateurs colmatées en 2–3 saisons ; élévation de la température d'huile supérieure de 8–12 K | Pas d'ailettes de radiateur de 50 mm minimum, ailettes verticales, écrans amovibles, IP54, alarme de température d'huile supérieure à 85 °C |
| Humidité élevée, 90 % HR en saison des pluies | Ensemble de l'usine | Condensation sur les enroulements à l'arrêt ; faible résistance d'isolement au redémarrage | Résistances anti-condensation verrouillées avec le disjoncteur, IP54, chauffage d'ambiance asservi au point de rosée |
| Déversements de mélasse et de jus | Sucrerie, stockage de mélasse | Film conducteur et corrosif sur les traversées et les boîtes à câbles | Barrières de phase sur traversées, boîtes à câbles avec drains, dessus de cuve revêtu d'époxy |
| Pleine charge continue pendant 200 jours | Toutes zones | Vieillissement thermique du papier ; 6 K au-dessus de la conception divise par deux la durée de vie de l'isolation | Échauffement des enroulements 65 K, ONAN/ONAF, sondes à fibre optique de point chaud dans l'enroulement BT |
La température ambiante n'aide que rarement. Une sucrerie de l'État de São Paulo connaît 38 °C en saison de broyage avec 90 % d'humidité ; une autre en Uttar Pradesh connaît 46 °C et la mousson ; une autre à Chaiyaphum connaît 40 °C. Un transformateur dimensionné pour une ambiance maximale de 40 °C et installé entre deux bâtiments avec 1,5 m de dégagement est effectivement un appareil 45 °C, et le déclassement est de 1 % par degré au-dessus du régime nominal pour les appareils immergés dans l'huile selon les recommandations de charge de l'IEC 60076-7. C'est pourquoi le cahier des charges doit préciser l'ambiance et les dégagements, et pourquoi l'essai d'échauffement en usine doit être réalisé à l'ambiance de conception plutôt qu'à 25 °C.
Quelles pertes faut-il capitaliser dans une usine qui fonctionne 4 800 heures et tourne à vide 3 960 heures ?
Les deux, et la répartition est inhabituelle : dans une usine industrielle qui fonctionne 8 000 heures, les pertes à vide et les pertes en charge se capitalisent à peu près au même taux. Dans une sucrerie, les pertes à vide sont payées 8 760 heures par an tandis que les pertes en charge ne sont payées que pendant la campagne de broyage, pondérées par le carré du facteur de charge. Cela inverse la pondération habituelle et fait du chiffre des pertes à vide celui qu'il faut discuter.
| Composante de pertes | Heures payées par an | Prix de l'énergie | Coût annuel par kW | Capitalisé à 8 %, 20 ans |
|---|---|---|---|---|
| Pertes à vide (fer) | 8 760 | USD 0,065/kWh | USD 569 | USD 5 590 |
| Pertes en charge à un facteur de charge moyen de 0,86 | 4 800 × 0,86² = 3 550 heures équivalentes | USD 0,065/kWh | USD 231 | USD 2 270 |
| Puissance de refroidissement pour évacuer 1 kW de pertes | Comme ci-dessus, à 0,02 kW/kW pour les ventilateurs ONAN | — | USD 11 | USD 112 |
Appliquez ces tarifs à un transformateur élévateur de 50 MVA avec 35 kW de pertes à vide et 320 kW de pertes en charge, et le coût réel du transformateur apparaît : 196 000 USD de pertes à vide capitalisées plus 726 000 USD de pertes en charge capitalisées, soit environ 60 % du prix d'achat de l'unité. Une offre concurrente avec 45 kW de pertes à vide et 380 kW de pertes en charge semble 60 000 USD moins chère sur le devis et coûte 192 000 USD de plus sur vingt ans — une différence qui éclipse toute négociation commerciale sur le prix. C'est l'argument du coût total de possession, et c'est la raison pour laquelle une formule d'évaluation des pertes doit figurer dans le bon de commande avec une pénalité de 5 600 USD par kW de pertes à vide et de 2 270 USD par kW de pertes en charge, mesurées lors des essais en usine et appliquées comme ajustement de prix plutôt que comme critère de rejet.
Il existe un second poste de pertes, plus subtil, qui compte dans les sucreries : l'intersaison. Pendant 3 960 heures, l'usine importe 6,5 MW pour la maintenance et les fait transiter par un seul transformateur élévateur à 7 % de charge, où le transformateur fonctionne à son rendement le plus mauvais — uniquement des pertes fer, presque aucune perte en charge. Une sucrerie qui installe un transformateur d'intersaison de 2 500 kVA alimenté depuis le bus 13,8 kV et met le transformateur élévateur hors service économise les pertes fer d'une unité de 50 MVA (35 kW) pendant quatre mois, soit 13 000 USD par an, et amortit le coût du transformateur supplémentaire en environ huit ans. Cela permet aussi de maintenir le transformateur élévateur disponible pour la maintenance pendant la seule fenêtre où celle-ci est possible.
Combien coûte le lot de transformateurs, et quel est le délai de livraison ?
Le lot pour une sucrerie de 20 000 TCD avec distillerie comprend 10 transformateurs et environ 110 MVA de puissance installée. Les prix ci-dessous sont départ usine Chine, 2026, pour des conceptions IEC 60076 avec tenue aux courts-circuits qualifiée par essais de type, essais individuels en présence du client et clause de pénalité sur les pertes.
| Article | Caractéristiques et type | Prix unitaire (USD) | Délai de livraison (semaines) |
|---|---|---|---|
| Transformateur élévateur 138 kV | 50 MVA ONAN/66,7 MVA ONAF, 138/13,8 kV, YNd11, Z = 12 %, régleur en charge côté HT ±8 × 1,25 % | 720 000–880 000 | 26–34 |
| Transformateurs de sucrerie | 12,5 MVA ONAN, 13,8/4,16 kV, Dyn11, Z = 8 % | 220 000–270 000 | 18–24 |
| Transformateurs de distillerie | 2 500 kVA à résine coulée, 13,8/0,48 kV, K-13 | 95 000–120 000 | 14–18 |
| Sucrerie et eau | 2 000 / 1 600 kVA à résine coulée, K-4 | 70 000–90 000 | 12–16 |
| Secours | 1 250 kVA immergé dans l'huile, 13,8/0,48 kV | 48 000–60 000 | 10–14 |
| Total du lot | 2 élévateurs + 2 sucrerie + 6 distribution | 2 400 000–2 900 000 | Déterminé par les élévateurs |
Les transformateurs élévateurs sont sur le chemin critique, et la raison n'est pas le bobinage : ce sont les traversées 138 kV, le régleur en charge et l'essai aux chocs. Une unité de classe 138 kV nécessite un essai au choc de foudre à 650 kV, un essai au choc de manœuvre à 550 kV le cas échéant, et un changeur de prises d'un fournisseur ayant 20 ans d'historique de service sur le réseau local — si la sucrerie achète au prix et accepte une livraison en 22 semaines d'une usine sans rapport d'essai de type 138 kV, l'étude de raccordement du gestionnaire de réseau rejettera l'unité et la saison est perdue. Deux règles pratiques en découlent : attribuer d'abord les transformateurs élévateurs, avant les transformateurs de distillerie, car ils fixent la date de mise en service ; et exiger un essai de réception en usine en présence de l'acheteur, comprenant une mesure complète des pertes à tension nominale, un essai d'échauffement et une mesure du bruit, ce à quoi sert l'inspection avant expédition.
Que doit indiquer le cahier des charges d'achat ?
Le cahier des charges doit être court, numérique et vérifiable. Tout ce qui ne peut pas être mesuré en usine ou sur site n'y a pas sa place.
| Élément | GSU (138 kV) | Transformateur de sucrerie (4,16 kV) | Pourquoi |
|---|---|---|---|
| Puissance nominale et refroidissement | 50 MVA ONAN / 66,7 MVA ONAF | 12,5 MVA ONAN | L'export N-1 à 96 % et un creux de 7 % en dépendent tous deux |
| Rapport de tension et prises | 138 ± 8 × 1,25 % / 13,8 kV, OLTC côté HT | 13,8 ± 2 × 2,5 % / 4,16 kV, hors tension | Les variations du réseau absorbées côté HT ; le bus de sucrerie réglé une fois par saison |
| Impédance | 12 % ± 5 % à 75 °C | 8 % ± 5 % à 75 °C | Partage de charge entre GSU ; creux et niveau de défaut à 4,16 kV |
| Groupe vectoriel | YNd11 | Dyn11 | Protection contre les défauts à la terre du réseau ; annulation des harmoniques entre paires |
| Niveau d'isolement | LI 650 / AC 275 kV | LI 95 / AC 38 kV | IEC 60076-3, norme pour cette classe |
| Élévation de température | 60 K huile / 65 K enroulement à 40 °C ambiant | 60 K huile / 65 K enroulement | Marge pour harmoniques et encrassement sur une saison de 200 jours |
| Pertes | 35 kW à vide, 320 kW en charge, garanties avec pénalité | 12 kW à vide, 78 kW en charge, garanties avec pénalité | 5 600 USD et 2 270 USD par kW capitalisés |
| Tenue au court-circuit | 2 s à 21 kA symétriques | 2 s à 21,7 kA | Les défauts du bus de sucrerie sont éliminés en 0,4 s mais la contrainte thermique est spécifiée à 2 s |
| Bruit | ≤ 78 dB(A) à 1 m, ONAN | ≤ 68 dB(A) à 1 m | Limite résidentielle à 150 m de l'usine ; voir niveaux de bruit des transformateurs |
| Enveloppe et finition | IP55, C5-M, pas de radiateur 50 mm | IP54, C4, écrans amovibles | Cendres volantes de bagasse et vapeurs d'éthanol |
| Surveillance | Deux sondes à fibre optique de point chaud, vanne DGA, déclenchements sur température d'huile et d'enroulement, position de prise OLTC | Déclenchement sur température d'enroulement, vanne DGA | Données d'état pour les 4 000 heures d'arrêt, quand un défaut n'a nulle part où se cacher |
| Essais | Essais de série selon IEC 60076-1, choc, élévation de température, bruit, impédance homopolaire, séquence OLTC | Essais de série, choc, élévation de température, rapport d'essai de type en court-circuit | Preuves d'usine, pas des promesses |
La fréquence mérite aussi une ligne. Le Brésil, et donc la majeure partie de l'industrie sucrière d'Amérique latine, est à 60 Hz ; la Thaïlande, l'Inde, le Vietnam et l'Indonésie sont à 50 Hz. Un transformateur conçu pour 60 Hz et installé sur un système à 50 Hz subit 20 % de flux en plus, sature, surchauffe et produit un courant de cinquième harmonique dès à vide. Si la sucrerie est une commande répétée d'un groupe brésilien construisant en Thaïlande, la conception doit être re-dimensionnée plutôt que re-étiquetée, et 50 Hz versus 60 Hz expose le déclassement. La conception du refroidissement diffère également : les puissances ONAN à 40 °C en Thaïlande avec 90 % d'humidité ne peuvent pas être copiées d'une conception brésilienne à 30 °C, et la différence vaut 8 % de la puissance nominale.
Qu'est-ce qui échoue réellement dans les transformateurs de sucrerie ?
Cinq modes de défaillance expliquent la plupart des problèmes de terrain dans cette industrie, et aucun d'eux n'est un défaut de fabrication de l'enroulement.
| Mode de défaillance | Délai typique avant défaillance | Cause racine | Prévention |
|---|---|---|---|
| Encrassement des radiateurs par les cendres volantes de bagasse | 3–5 saisons | Pas d'ailette 20 mm, ailettes horizontales, sans criblage | Ailettes verticales de 50 mm, nettoyage annuel à la glace carbonique, alarme de température d'huile supérieure à 85 °C |
| Usure des contacts OLTC due aux cycles quotidiens | 8–12 ans | Réseau faible, 30 manœuvres de prise par jour en mode export | OLTC sous vide, compteur de manœuvres avec alarme à 80 % des manœuvres nominales, DGA annuelle |
| Infiltration d'humidité au niveau du dessiccateur | 10–15 ans | Gel de silice épuisé pendant la saison des pluies ; acidité de l'huile en hausse | Cuve scellée pour les unités de distillerie, inspection mensuelle du dessiccateur, traitement de l'huile à 0,1 mg KOH/g |
| Point chaud aux jonctions de barres BT | 2–4 ans sous charge K-13 | Échauffement par courants harmoniques dans un transformateur K-4 | Indice K-13, jonctions contrôlées au couple, relevé infrarouge deux fois par saison |
| Déclenchement du générateur sur courant d'appel du transformateur | Immédiat | Réalimentation de deux GSU et six transformateurs d'usine depuis une machine de 60 MW après un déclenchement de sucrerie | Mise sous tension échelonnée, réglages de retenue du 2e harmonique vérifiés, courant d'appel calculé — voir courant d'appel |
Le cas du courant d'appel est celui qui met fin aux saisons. Un GSU de 50 MVA absorbe 6–8 fois le courant nominal pendant jusqu'à 0,15 s à la mise sous tension, et un générateur de 60 MW avec une réactance subtransitoire de 12 % perçoit cela comme une charge de 300 MVA pendant un dixième de seconde ; la tension s'effondre à 60 %, la protection de perte d'excitation ou de sous-tension du générateur se déclenche, et l'usine plonge dans le noir. La solution consiste en une séquence de commutation programmée dans l'automate — les GSU d'abord, un à la fois, à 5 s d'intervalle, puis les transformateurs d'usine par groupes de deux — et en une étude de protection qui confirme les réglages de blocage sur le 2e harmonique de chaque relais différentiel de transformateur. Les deux sont gratuits au stade de la conception et coûteux par la suite.
La capacité de charge pendant la récolte est l'autre moitié de la même histoire. Une usine qui pousse le tandem à 110 % du débit de canne nominal pendant une semaine ne surcharge pas thermiquement le transformateur, car la charge est stable et la température ambiante constante — mais elle élève la température des enroulements de 8–10 K, et le vieillissement du papier double tous les 6 K. C'est pourquoi le cahier des charges exige des sondes de point chaud à fibre optique plutôt qu'une température d'enroulement calculée à partir d'une image thermique, et pourquoi les recommandations sur le facteur de charge et la surcharge doivent être lues avant, et non après, la première saison. Les usines qui vendent également de la vapeur à une distillerie voisine ou à un réseau de chauffage urbain doivent lire les mêmes chiffres à travers le prisme d'une installation qui ne s'arrête jamais complètement : les transformateurs de chauffage urbain et de cogénération couvrent le cas des 8 760 heures, et les transformateurs de centrales biomasse le volet manutention du combustible.
Sources / 资料来源
Source : IEC 60076-1 — Transformateurs de puissance : généralités.
Source : IEC 60076-2 — Transformateurs de puissance : échauffement des transformateurs immergés dans un liquide.
Source : IEC 60076-3 — Transformateurs de puissance : niveaux d'isolement, essais diélectriques et distances d'isolement dans l'air.
Source : IEC 60076-5 — Transformateurs de puissance : aptitude à supporter les courts-circuits.
Source : IEC 60076-7 — Transformateurs de puissance : guide de charge pour transformateurs de puissance immergés dans l'huile minérale.
Source : IEC 60076-11 — Transformateurs de puissance : transformateurs à sec.
Source : IEEE 519 — Pratique recommandée et exigences pour la maîtrise des harmoniques dans les réseaux d'énergie électrique.
Source : IEEE C57.110 — Pratique recommandée pour établir la capacité d'un transformateur alimentant des courants de charge non sinusoïdaux.
Source : IEEE C57.91 — Guide de charge des transformateurs immergés dans l'huile minérale et des régulateurs de tension en gradins.
Source : IEEE 1547 — Interconnexion et interopérabilité des ressources énergétiques distribuées avec les interfaces associées des réseaux d'énergie électrique.
Source : IEC 60079-10-1 — Atmosphères explosives : classification des emplacements, atmosphères gazeuses.
Source : IEC 60079-13 — Atmosphères explosives : protection du matériel par local pressurisé et local à ventilation artificielle.
Source : IEC 61936-1 — Installations électriques de puissance en courant alternatif de tension supérieure à 1 kV : règles communes.
Source : IEC 61000-2-4 — Compatibilité électromagnétique : niveaux de compatibilité dans les installations industrielles pour les perturbations conduites à basse fréquence.
Source : GB/T 6451 — Paramètres techniques et exigences pour les transformateurs de puissance triphasés immergés dans l'huile.
Source : QDTB Engineering Team — Fourniture de transformateurs immergés dans l'huile et moulés en résine pour des projets sucriers, éthanoliers, biomasse et de cogénération au Brésil, en Thaïlande, en Indonésie et au Vietnam, 2015–2025 (les débits de canne, consommations spécifiques, facteurs de charge, dispersions d'impédance, taux de capitalisation des pertes, fourchettes de prix et délais cités ici sont des valeurs issues de l'expérience industrielle, et non des normes publiées).