Dans un transformateur de puissance immergé dans l'huile, la vitesse de vieillissement du papier isolant croît exponentiellement avec la température. Ce qui fixe la durée de vie n'est donc pas la moyenne mais le point le plus chaud — et ce point se trouve généralement dans la partie haute du bobinage, à un endroit qu'on ne peut pas instrumenter.
Comment l'huile circule
Circulation naturelle (ONAN). L'huile se réchauffe dans le bobinage, monte, se refroidit dans le radiateur et redescend. Elle est mue uniquement par la flottabilité : c'est donc un problème de convection naturelle classique, qui donne un écoulement lent et stratifié.
Circulation forcée (OFAF/ODAF). Avec une pompe. Elle fournit une capacité de refroidissement plus élevée, mais la façon dont l'écoulement se répartit entre les canaux du bobinage devient critique.
Le piège de l'écoulement inverse
En refroidissement forcé dirigé, le bobinage est divisé en sections séparées par des canaux horizontaux. Si la distribution de pression est défavorable, l'écoulement dans certains canaux s'inverse ou s'arrête. La section de bobinage de ce canal n'est pratiquement plus refroidie, et c'est là que le point chaud se forme.
Dans un calcul qui ne regarde que le débit total, cela est totalement invisible — c'est un problème de distribution classique, résolu par la disposition des rondelles de guidage.
Les propriétés de l'huile varient fortement avec la température
La viscosité de l'huile de transformateur change de plusieurs ordres de grandeur avec la température. À un démarrage à froid, la circulation est très faible ; un transformateur à refroidissement naturel peut s'échauffer plus que prévu lors d'une mise en service à froid. Un modèle à propriétés constantes manque ce comportement.
Modélisation
Le problème est conjugué : conducteur, isolation, huile et cuve ensemble. Résoudre le bobinage spire par spire n'est pas praticable ; on utilise une région équivalente anisotrope.
La distribution des pertes vient de l'analyse électromagnétique et n'est pas uniforme — le flux de fuite produit des pics locaux de pertes aux extrémités du bobinage et dans la paroi de la cuve. L'hypothèse de pertes uniformes manque le point chaud.
L'écoulement d'air sur les radiateurs fait aussi partie du modèle ; si les radiateurs respirent l'air chaud les uns des autres, la capacité baisse. Voir la note sur les unités extérieures de pompes à chaleur.
Références
- Churchill, S. W. & Chu, H. H. S. (1975). Correlating equations for laminar and turbulent free convection from a vertical plate. International Journal of Heat and Mass Transfer, 18(11), 1323–1329. DOI: 10.1016/0017-9310(75)90243-4
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605