Transformateur électrique EHT de 330 kV–500 kV : Innovation structurelle, économie au niveau système et stratégies de coordination multi-scénarios

1.Principes structuraux et avantages d'efficacité

1.1 Différences structurelles affectant l'efficacité

• Des techniques avancées de bobinage de conducteurs transposés (par exemple, configurations hybrides continues + hélicoïdales) suppriment efficacement les courants de Foucault et les pertes en circulation.
• Les mesures sur le terrain montrent que les autotransformateurs modernes de 500 kV atteignent des pertes sous charge de 8%–12% inférieures et maintiennent des niveaux de décharge partielle inférieurs à 100 pC dans des conditions nominales, répondant ainsi aux exigences strictes des projets à très haute tension, comparativement aux transformateurs triphasés traditionnels de 220 kV de capacité de transfert de puissance équivalente.

1.2 Principes de fonctionnement minimisant les pertes système

• La connexion d'autotransformateur fournit une impédance de court-circuit plus faible (généralement 8%–12% contre 14%–18% dans les transformateurs conventionnels), réduisant la chute de tension du système et la demande de puissance réactive.
• Dans la transmission sur de longues distances, cela réduit le courant de ligne de 15%–25%, entraînant une réduction globale des pertes du réseau de plus de 20%.
• Elle élimine la nécessité de transformateurs de tension inférieure en cascade, évitant ainsi les pertes cumulatives et les risques de défaillance multipliés.

1.3 Architecture de transmission optimisant l'efficacité du réseau

2. Avantages de l'utilisation des matériaux et des coûts de fabrication

2.1 Matériaux avancés améliorant la rentabilité

• L'utilisation d'acier électrique à grains orientés de haute perméabilité de grade B10 (densité de flux magnétique ≥ 2,03 T) réduit le volume du noyau de 10 % et les pertes à vide de 15 %.
• câble transposé continu (CTC) et de fil émaillé autoadhésif améliorent la résistance mécanique et la stabilité thermique des enroulements.
• Bien que les coûts unitaires soient élevés (environ 30 à 50 millions de yuans RMB pour un transformateur de 500 kV), le coût par kVA est 18 % à 22 % plus bas que pour les solutions de 220 kV, en raison d'une capacité unitaire plus élevée et d'un nombre moindre d'unités nécessaires.

2.2 Étude de cas : couloir d'exportation d'énergie renouvelable du nord-ouest

• Le nombre d'équipements haute tension a été réduit de 50 %, ce qui a entraîné une réduction de 30 % de l'investissement dans le GIS/HGIS.
• Les pertes réseau annuelles ont diminué de ～120 GWh, soit une réduction équivalente à 96 000 tonnes de CO₂.
• Malgré un coût initial supérieur de 120 millions de yuans, le coût total de cycle de vie (LCC) sur 10 ans a été réduit de 380 millions de yuans, en tenant compte des économies d'énergie, de l'exploitation et de la maintenance, ainsi que de l'utilisation des terres.

2.3 Optimisation des coûts au niveau système

• Un nombre moindre de sous-stations simplifie la logique de dispatchage du réseau et l'infrastructure de communication.
• Les capacités de classement dynamique—rendues possibles par la surveillance en temps réel de la température des points chauds—augmentent l'utilisation des actifs de 10 % à 15 %.

2.4 Forces de fabrication et de chaîne d'approvisionnement

4. Recommandations pour un déploiement rationnel

4.1 Directives de capacité et de configuration

• Principe fondamental: “Grande capacité, moins de sites, forte interconnexion”
  • Hubs d'exportation renouvelable : ≥1 000 MVA ; hubs régionaux : 500 à 800 MVA
• Connexion des enroulements: Préférer YNa0d11 (autotransformateur avec enroulement tertiaire en delta) pour fournir un chemin de séquence nulle et supprimer les harmoniques
• Formule de dimensionnement de la capacité:

4.2 Méthodes d'installation et de disposition

• Intérieur/souterrain: Réservé aux cœurs urbains ; nécessite un refroidissement ODWF et une détection de fuite de SF₆
• Extérieur ouvert: Approche standard, associée à des barrières acoustiques (bruit ≤65 dB) et des murs coupe-feu
• Promouvoir le transport modulaire et l'assemblage sur site pour surmonter les restrictions de poids dans les zones montagneuses ou limitées par des ponts

4.3 Coordination avec le nouveau système électrique

• Lorsque la pénétration des énergies renouvelables connectées dépasse 40%, intégrer des enroulements d'adaptation d'impédance large bande pour supprimer l'oscillation sous-synchrone (OSS)
• Dans les régions présentant une forte variabilité saisonnière de production, adopter des changeurs de rapport sous charge intégrés avec une compensation VAR dynamique

4.4 Exploitation, protection et surveillance

• Côté HT: Disjoncteurs SF₆ + relais différentiels numériques (conformes à IEC 61850-9-2LE)
• Surveillance du transformateur: DTS (détection de température distribuée) à fibre optique, détection de décharge partielle UHF, analyse en ligne des gaz dissous (DGA)
• Protection contre la foudre: Parafoudres ZnO 500 kV (tension résiduelle ≤1 050 kV)
• Extinction d'incendie: Conception à double système combinant vidange d'huile & injection d'azote avec pulvérisation d'eau

4.5 Considérations économiques

• Une réduction annuelle des pertes de 8 000 à 15 000 MWh (pour des unités de 1 200 MVA)
• L'élimination des postes électriques de tension intermédiaire (économisant ainsi du terrain et des coûts d'exploitation et de maintenance)
• Une durée de service de 30 à 40 ans
  → Le coût total sur le cycle de vie (LCC) est supérieur à 35 % plus bas que les alternatives en plusieurs étapes, offrant des avantages sociaux et économiques significatifs.

5. Tendances futures et perspectives

• Innovation des matériaux et des processus:
  • Cœurs en alliage nanocristallin (en phase de prototype) pourraient réduire les pertes à vide de ～50%
  • Gaz d'isolation écologiques (par exemple, g³, Clean Air) remplacent progressivement le SF₆, réduisant le potentiel de réchauffement global (PRG) de 99%
• Intégration profonde de l'intelligence:
  • Des modèles jumeaux numériques intégrés permettent la prédiction de la durée de vie, la simulation des pannes et les diagnostics à distance
  • Une coordination fluide avec les systèmes de dispatching du réseau pour participer à la régulation automatique de la production (AGC) et à la régulation primaire de la fréquence
• Faire évoluer le nouveau système électrique:
  • Servir d'interfaces formant le réseau (GFM), fournissant de l'inertie et une capacité de court-circuit dans les réseaux AC faibles
  • Collaborer avec les postes de conversion VSC-HVDC pour construire des réseaux hybrides AC/DC de base
• Évolution des normes:
  • Les prochaines révisions des lignes directrices telles que les Principes techniques pour la conception de transformateurs THT et les Normes d'intégration au réseau pour les bases d'énergie renouvelable imposeront l'amortissement des oscillations à large bande et une réponse de protection ultra-rapide (<20 ms), conduisant à une transformation de l'industrie.

Conclusion: Le transformateur de puissance THT de 330 à 500 kV a évolué au-delà d'un simple convertisseur d'énergie - il est maintenant la “vanne de l'artère nationale de l'électricité.” Grâce à l'innovation constante et à la synergie au niveau du système, il jouera un rôle irremplaçable dans la construction d'un système énergétique moderne sûr, efficace, vert et intelligent.