Contribution à l'étude des courts-circuits interlaminaires dans les noyaux des transformateurs de puissance, A contribution to the study of interlaminar short circuits in power transformer cores

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Sous la direction de Daniel Roger
Thèse soutenue le 11 janvier 2010: Artois
Le travail présenté dans cette thèse est centré sur l'étude des courts-circuits interlaminaires, dont la présence dans un noyau magnétique peut entraîner des pertes supplémentaires qui dégradent les performances du transformateur. L'étude suit deux axes principaux : premièrement, la détection des courts-circuits interlaminaires, et deuxièmement, leur modélisation. Le premier axe développe l'évaluation des possibilités de détection dans le but de fournir des outils qui permettent d'améliorer le processus de fabrication des transformateurs. Le deuxième axe concerne la modélisation du court-circuit, ayant pour l'objectif d'éclairer des mécanismes plus fondamentaux, ainsi que d'estimer les courants de court-circuit et les pertes associées dans les cas les plus défavorables. De nombreux courts-circuits artificiels ont été caractérisés de manière expérimentale. Une procédure a été mise en place qui permet de mesurer les courants de court-circuit à l’aide d’un enroulement de Rogowski miniaturisé, capable de faire la mesure du courant dans un contact interlaminaire en écartant très peu les tôles. Les expérimentations ont conduit à un modèle élémentaire du court-circuit basé sur un schéma équivalent de Thévenin. La variation de différents paramètres du court-circuit a permis de déduire des lois empiriques décrivant leur influence sur les éléments du schéma équivalent et ainsi d'observer l'impact de ces paramètres sur le courant de court-circuit et sur les pertes associées.
-Noyau de transformateur
-Bavures
-Modélisation
-Pertes dynamiques
-Mesure de courant
The research presented in this thesis focuses on the study of interlaminar short circuits, whose presence in a magnetic core can cause additional loss which will deteriorate the performance of the transformer. The study is carried out along two main axes: first, the detection of interlaminar short circuits, second, their modelling. The first axis evaluates the possibilities for detection, with the objective to provide tools which can help to optimise the manufacturing process of transformers. The second axis concerns the modelling of a short circuit, with a view to gain a deeper understanding of the mechanisms involved and also to enable an estimation of the worst-case short-circuit current and the worst-case power dissipation. Numerous artificial short circuits have been experimentally characterised. A procedure has been developed permitting the measurement of short-circuit currents by means of a miniaturised Rogowski coil, capable of measuring the current inside an interlaminar contact with a very small distance between the sheets. The experiments have led to an elementary model of the short circuit which is based on a Thévenin equivalent circuit. Variations of different parameters of the short circuit have permitted deducing empirical laws describing their influence on the elements of the equivalent circuit and thus to observe the impact of these parameters on the short-circuit current and the associated loss.
Source: http://www.theses.fr/2010ARTO0201/document

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Langue Français
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UniversitØ Lille Nord de France École doctorale SPI
UniversitØ d’A rtois Lab oratoire SystŁm es Électrotech niq u es et E nvironnem ent
Contribution à l’Øtude des courts-circuits
interlam inaires dans les noyaux des
transform ateurs de p uissance
T H ¨ S E
prØsentØe et sou tenu e p u b liq u em ent le 1 1 janvier 2 0 1 0
en vu e de l’ob tention du g rade
Docteur de l’UniversitØ
Discipline : GØnie Électrique
p ar
C arl A nselm S C H UL Z
C o m po sitio n d u jury
Rapporteurs : A . K O ST Professeu r, T U B erlin
A . LE B O UC D irecteu r de R ech erch e C NR S, E NSIE G G renob le
E xam in ateurs : S. D UC H E SNE M aître de confØrence, UniversitØ d’A rtois, C o-encadrant
R . LE M A ˛T R E R esp onsab le R & D , T h yssenK ru p p E lectrical Steel
E . M A T A G NE Professeu r, UniversitØ C ath oliq u e de Lou vain
D . R O G E R Professeu r, UniversitØ d’A rtois, D irecteu r de th Łse
M . T O UNZ I Professeu r, UniversitØ de Lille 1 , PrØsident du ju ryRemerciements
Cette thŁse a ØtØ rØalisØe à l’UniversitØ d’Artois au Laboratoire systŁmes Ølectro-
techniq ues et environnement dirig Ø p ar le P rofesseur J ean-F rançois Brudny. J e tiens
à remercier D aniel R o g e r de m’avoir accueilli de maniŁre trŁs chaleureuse à B Øthune.
Il a su Øtablir une atmosp hŁre de libertØ et de con ance, sa p atience et son enthou-
siasme ont donnØ des ailes à ces travaux . La co-direction de ce travail a ØtØ menØe p ar
S tØp hane D uc h e sne , q ui a su marier une g rande rig ueur scienti q ue avec beaucoup
de g ØnØrositØ et d’humour. J e tiens à lui ex p rimer, en ces lig nes, ma sincŁre g ratitude.
M es remerciements sincŁres s’adressent à Abdelmounaïm T o unzi, P rofesseur à l’Uni-
versitØ Lille 1 , q ui a accep tØ de p rØsider le jury ainsi q u’à Arnulf K o st , P rofesseur à
l’UniversitØ T echniq ue de B erlin (Allemag ne) et Afef L e b o uc , D irecteur de recherche
au C nrs, d’avoir accep tØ de jug er ce travail en Øtant rap p orteurs. J e leur ex p rime ma
p rofonde reconnaissance p our leur lecture critiq ue et Øclairante.
J e remercie R Øg is L e m a ît re , R esp onsable R & D chez T hyssenK rup p E lectrical S teel,
d’avoir accep tØ de faire p artie de mon jury de thŁse mais aussi p our son soutien constant
et son p rofessionnalisme p endant la rØalisation de ce travail.
J ’ex p rime toute ma reconnaissance à E rnest M ata g ne , P rofesseur à l’UniversitØ Ca-
tholiq ue de Louvain (B elg iq ue), p our avoir accep tØ d’Œtre ex aminateur de mon travail
et p our sa lecture minutieuse q ui a ap p ortØ de nombreuses amØliorations au mØmoire.
L’ap p ui de l’entrep rise T hyssenK rup p E lectrical S teel a ØtØ un facteur essentiel au
bon dØroulement des travaux . À ce titre, je remercie mes deux resp onsables J ean-N oºl
V inc e nt et T hierry Be lg ra nd. J e g arderai un formidable souvenir p rofessionnel et
humain des annØes p assØes ensemble. J ’associe à ces remerciements tous ceux q ui m’ont
aidØ dans la rØalisation des essais, p articuliŁrement Christian S w ia lk o w sk i, F rançoise
L e c le rc q et K laus G ü nt h e r.
H eureux est celui q ui arrive oø la bonne ambiance naît de maniŁre naturelle, d’autant
p lus q ue sa synthŁse arti cielle est di cile. J e suis in niment g rØ à tous les collŁgues
et amis q ui ont enrichi mes annØes de recherche à la F acultØ des sciences ap p liq uØes.
Q u’ils trouvent ici l’ex p ression de toute ma g ratitude. J e p ense p articuliŁrement à E w a
N a p ie ra lsk a q ui, avec une g entillesse hors normes, m’a accueilli et aidØ dŁs le p remier
jour au laboratoire. Un g rand merci à mes collŁg ues de bureau, N abil H ih at et S amuel
L o p e z, p our m’avoir tolØrØ p endant les maintes crises p arcourues. N os discussions q uo-
tidiennes ont ØtØ p our moi une source p rØcieuse d’insp iration et d’encourag ement.
iJe remercie vivement tous ceux du personnel technique et administratif, qui m’ont
facilitØ la tâ che. Pour l’Ølaboration de capteurs de champ je tiens à exprimer toute ma
gratitude à Emmanuel Mateo. Merci à Bernadette P hellion et à Magali Houlette
pour naviguer entre les Øcueils de l’administration. Je suis Øgalement grØ à Mathieu
J acques de m’avoir initiØ à certaines subtilitØs de la grammaire française.
La rØalisation des simulations numØriques doit Ønormement aux aides de Krzysztof
Komƒ za, Professeur à UniversitØ Polytechnique de Š ó d„ (Pologne), qui a enrichi ce
projet par ses connaissances intimes de la modØlisation. Je tiens à le remercier pour
des discussions Øclairantes et pour son support gØnØreux.
Ce travail n’aurait pu Œtre conduit sans le soutien nancier de la rØgion Nord-Pas-
de-Calais et du Fonds europØen de dØveloppement rØgional (F eder). À ce titre, je
les remercie de m’avoir permis de rØaliser cette thŁse, dans le cadre du pô le Medee
(maîtrise ØnergØtique des entraînements Ølectriques).
Merci à ma famille et à mes amis de m’avoir soutenu, de prŁs ou à distance.
iiTable des matiŁres
Introduction vii
1 C ontexte du travail 1
1.1 Domaine d’Øtude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Isolation des tôles magnØtiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 PropriØtØs du revŒtement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 ProcØdures d’Øvaluation de la qualitØ d’isolation . . . . . . . . . . 3
1.2.3 Contrôle de l’adhØrence du revŒtement . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 DØcoupe des tôles magnØtiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1 ProcØdures de dØcoupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 E ets d’une dØcoupe mØcanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.3 Microscopies 3D des bavures de dØcoupe . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Distinction thØorique des dØfauts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5 Courts-circuits dans les joints magnØtiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.1 Le chevauchement step-lap des joints magnØtiques . . . . . . . . 13
1.5.2 ConsØquences du step-lap sur les courts-circuits . . . . . . . . . . 15
1.6 É tat de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6.1 Courts-circuits provoquØs par bavures dans les transformateurs . 18
1.6.2 Extension aux travaux menØs sur les machines tournantes . . . . 19
1.6.3 DØtermination de la tension interlaminaire . . . . . . . . . . . . . 22
2 D Øtection de dØfauts dans un em p ilem ent p ar des m esures de cap acitØ 2 5
2.1 Introduction : approche statistique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Principe de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.1 Empilement parfait sans dØfauts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.2 Empilement rØel avec dØfauts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Mesures sur des empilements d’Øchantillons . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.1 Protocole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2 RØsultats pour bandes Epstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.3 RØsultats pour bandes refendues . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4 Analyse statistique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5 In uence des variations de la rØactance de la couche isolante . . . . . . . 4 5
2.5.1 Largeur di Ørente des tôles dans un noyau à gradins . . . . . . . 4 5
iiiTable des matiŁres
2.5.2 PropriØtØs du revŒtement soumises aux variations mineures . . . 47
2.6 PrØcision de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3 ModØlisation d’un court-circuit ØlØmentaire 53
3.1 O bjectif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2 Principe de la modØlisation expØrimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3 ProcØdure de caractØrisation expØrimentale . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.1 V ue d’ensemble du montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.2 Introduction des points de contact . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.3 Mesure du courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3.4 Mesures de tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3.5 Inuence de l’Øpaisseur du noyau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.6 ProcØdure d’acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.7 SynthŁse du protocole expØrimental . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4 RØsultats de la caractØrisation expØrimentale . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.4.1 Relation entre courant et tension à vide du court-circuit . . . . . 76
3.4.2 PrØcision du modŁle du court-circuit . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.4.3 RØpartition des rØsistances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.4.4 RØpØtabilitØ des mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.4.5 Inuence de l’induction moyenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.6 ModØlisation thØorique de la tension à vide : l’eet de peau dans
des tôles nes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.4.7 Inuence de la largeur du noyau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.4.8 Inuence de la frØquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4 S imulation du court-circuit. E ssais complØmentaires 10 5
4.1 DicultØs dans la simulation 3D des tôles G O . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.2 PrØsentation du modŁle numØrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.2.1 DØnition de l’anisotropie magnØtique . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.2.2 SymØtries et conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.2.3 Maillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.2.4 Excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2.5 Évaluation de I et U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111cc v id e
4.3 V alidation par comparaison aux mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.4 Inuence de l’Øpaisseur des tôles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.5 Inuence du dØcalage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.5.1 Estimation d’erreur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.5.2 Discussion des causes de l’eet observØ . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.5.3 RØsumØ des rØsultats et modØlisation . . . . . . . . . . . . . . . . 120
ivTable des matiŁres
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5 Localisation des dØfauts par l’analyse du ux des fuites 123
5.1 MØthode de dØtection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2 Montage expØrimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.3 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.4 InterprØtation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.4.1 Eet de connement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.4.2 SensibilitØ de la mØthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6 Conclusion g ØnØrale 129
7 A nnexe 133
7.1 Traitement des signaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.1.1 Circuit Ølectronique de l’enroulement de Rogowsk i . . . . . . . . 133
7.1.2 Correction du comportement frØquentiel . . . . . . . . . . . . . . 133
7.1.3 Circuit Ølectronique des sondes de tension . . . . . . . . . . . . . 136
B ib liog raph ie 139
vTable des matiŁres
viIntroduction
Depuis un certain temps, l’empreinte Øcologique de l’humanitØ sur la terre dØpasse
le seuil critique. Le secteur de l’Ønergie fait sans doute partie des domaines les plus
concernØs par un Øpuisement des ressources. Dans la mesure oø, pendant les derniŁres
dØcennies, ce problŁme a ØtØ reconnu, une utilisation et une distribution plus ecace
de l’Ønergie sont devenues de plus en plus prioritaires. Cette thŁse se focalise sur les
transformateurs de puissance, en s’intØressant à des dØfauts spØciques dans le noyau
magnØtique ainsi qu’aux pertes d’Ønergie entrainØes par ceux-ci.
Les transformateurs de puissance sont parmi les machines Ølectriques disposant des
meilleurs rendements ØnergØtiques. Un inventaire menØ en 2004 dans l’union euro-
pØenne a rØvØlØ que les 4,5 millions de transformateurs de distribution installØs dans
les 27 Øtats membres ont un rendement eectif moyen de 98,38 % [TIT08]. NØanmoins,
leur pertes annuelles cumulØes atteignent encore 33,4 TW h, ce qui correspond à 1 % de
la production brute d’ØlectricitØ europØenne en 2004 [Eur08]. Bien entendu, ce chire
ne prend en compte qu’une partie des pertes, puisque les transformateurs de distribu-
tion ne constituent que la derniŁre Øtape entre le producteur et le consommateur. En
eet, le transport d’Ønergie d’une grande centrale jusqu’au particulier fait intervenir au
moins quatre transformateurs. L’amØlioration du rendement constitue donc toujours
un potentiel d’Øconomies d’Ønergie important.
Les pertes totales dans un noyau de transformateur peuvent Œtre sØparØes en plusieurs
parties selon leur nature. Une partie importante correspond aux pertes par courants
induits, sur lesquelles se penche ce travail. Comme l’acier magnØtique est un milieu
conducteur, la prØsence d’un champ magnØtique variable induit des courants de Fou-
cault. Ces courants causent des pertes par eet Joule qui diminuent le rendement du
transformateur. An de limiter la circulation des courants de Foucault, on utilise des
noyaux feuilletØs, assemblØs avec des tôles isolØes les unes des autres. Lors de la pro-
duction, les bandes de matØriau magnØtique sont recouvertes d’un revŒtement isolant
trŁs n, rØduisant ainsi fortement les courants induits dans le noyau assemblØ et les
pertes associØes.
Ce projet de recherche Øtudie les implications de courts-circuits situØs entre les tôles et
provoquØs par des bavures de coupe. Il est Øvident que, en prØsence de courts-circuits,
les avantages de la structure feuilletØe peuvent Œtre partiellement annulØs. Si des dØ-
viiIntroduction
fauts d’isolation permettent aux courants induits de circuler malgrØ tout entre plusieurs
tôles, des pertes plus ØlevØes en rØsultent. L’Øtude se concentre sur les dØfauts d’isola-
tion sur le contour des tôles, tels que ceux provoquØs par des bavures de coupe. Lors de
la production d’un noyau, les bandes de matØriau magnØtique sont dØcoupØes avec des
procØdØs mØcaniques. En consØquence, la formation de bavures de dØcoupe ne peut pas
Œtre complŁtement ØvitØe. De nombreuses mesures sont prises par les fabricants dans
le but de rØduire la hauteur des bavures au minimum.
Un court-circuit interlaminaire peut contribuer plus ou moins aux pertes totales, en
fonction de ses paramŁtres gØomØtriques et Ølectriques, des proprietØs magnØtiques lo-
cales, de son emplacement dans le noyau, des conditions d’excitation etc. Il est donc
dØni par une multitude de paramŁtres, en grande partie inconnus, Øtant donnØ l’aspect
alØatoire inhØrent aux bavures de coupe.
Objectifs de l’Øtude
L’accent de cette Øtude est mis sur les dØfauts interlaminaires dus aux bavures de
coupe. Dans un premier temps, l’objectif consiste à Øvaluer la frØquence de ces phØ-
nomŁnes et à Øtudier les perspectives pour leur dØtection. Compte tenu de la nature
alØatoire des bavures de coupe, il convient d’Øvaluer les possibilitØs d’une approche
statistique. Une mØthode de dØtection par des mesures de capacitØ, capable d’estimer
le nombre total de dØfauts dans un empilement, a ØtØ mise en ÷ uvre.
L’Øtude est orientØe ensuite vers la comprØhension plus fondamentale du phØnomŁne
des courts-circuits interlaminaires. La plus grande partie des travaux est dØdiØe à la mo-
dØlisation des courts-circuits. DiØrentes congurations de courts-circuits ØlØmentaires
ont ØtØ caractØrisØes de façon expØrimentale, avec l’objectif d’Øclairer les mØcanismes
fondamentaux qui dØterminent les pertes et d’en permettre ainsi une estimation quan-
titative.
L’Øtude approfondie des courts-circuits peut Œtre circonscrite avec les objectifs princi-
paux suivants :
L’analyse des conditions pour qu’un court-circuit interlaminaire provoque des
pertes additionnelles
L’identication de zones du noyau de transformateur particuliŁrement sensibles
ou insensibles aux courts-circuits
L’estimation du courant de court-circuit et des pertes par eet Joule correspon-
dantes
L’Øtude de l’inuence des paramŁtres gØomØtriques, Ølectriques et des proprietØs
du matØriau
viii