Le transformateur de puissance est un équipement essentiel d'un réseau électrique et le plus coûteux dans les postes. Pour augmenter son degré de disponibilité et de fiabilité, il est nécessaire d'appliquer la manœuvre contrôlée afin de diminuer la saturation du noyau lors de l'enclenchement, et donc limiter les courants d'appel. Ces derniers sont asymétriques, d'amplitude élevée, et riches en harmoniques. Ils peuvent causer des effets indésirables comme le disfonctionnement des dispositifs de protections, l'endommagement mécanique des enroulements du transformateur et réduire en général la durée de vie et la qualité des systèmes. Une technique efficace pour réduire ces courants d'appel est de mettre sous tension le transformateur quand le flux dynamique généré par la source est égal à son flux rémanent. Un modèle simplifié du transformateur de puissance est adopté pour l'analyse des phénomènes physiques liés à l'application des manœuvres. Pour évaluer le degré de faisabilité de cette technique, des simulations sont effectuées en utilisant le simulateur de réseau EMTP. Les contraintes requises pour chacun des composants du système de manœuvre contrôlée comme les segments de ligne, les disjoncteurs sont étudiées en détail pour déterminer l'algorithme de calcul de l'instant optimal de manœuvres. Ensuite des tests de validation statistiques sont effectués afin d'évaluer les performances des différentes approches employées. Enfin une étude consacrée à la reconstitution du flux rémanent via un transformateur capacitif de tension (TCT) est menée pour appliquer l'algorithme de manœuvre contrôlée dans les postes en utilisant les équipements de mesure déjà existants.

Les phénomènes d'électrisation par écoulement dans les transformateurs haute tension prennent naissance à l'interface entre l'huile minérale et les écrans de carton placés entre les bobinages électriques. L'écoulement de l'huile à la surface du carton génère des charges électriques à l'interface, positives dans l'huile, négatives dans le carton. Les charges positives sont transportées par l'huile jusqu'à ce qu'elles rencontrent des parties du transformateur reliées à la terre. En revanche, les charges négatives formées dans le carton s'y accumulent. <br />Afin d'inhiber ce phénomène d'électrisation, qui peut être à l'origine de claquage destructif du transformateur, il a été nécessaire d'étudier les matériaux mis en cause, en particulier le carton. Les premiers travaux ont mis en relief l'influence de la nature chimique des matières premières cellulosiques du carton kraft, et par la suite, ont porté une attention particulière à la présence ou à l'absence de fonctions ionisables à bas pH, les fonctions carboxyle. <br />La recherche d'un remède et la nécessité d'approfondir les connaissances sur le phénomène ont conduit à étudier l'influence de divers additifs, ajoutés dans l'huile ou dans le matériau cellulosique. Un travail important a été consacré à l'ajout de sels ioniques en vue de neutraliser les fonctions carboxyle. Les résultats se sont révélés significatifs mais de répétabilité variable. Puis, des additifs acides et basiques ont été testés, lesquels ont produit des atténuations de la charge générée. De plus, des résultats intéressants (inversion du signe de la charge) ont été obtenus avec des surfactants, tel que le triton X100. Finalement, il a été montré qu'une partie de la génération de charge est expliquée par les interactions entre l'eau et les impuretés contenues dans l'huile, d'une part, et les fonctions carboxyle du matériau cellulosique, d'autre part. A la lumière de tous les résultats obtenus, des explications quant aux processus physico-chimiques intervenant dans le phénomène d'électrisation par écoulement ont pu être proposées.

Le travail de cette thèse avait pour objectif de contribuer à apporter de solutions au problème de surveillance des transformateurs par le biais des analyses de l'huile. La méthodologie et les résultats présentés s'appuient sur des cas concrets de transformateurs expertisés et des analyses d'huile réalisées en laboratoire. Les règles de diagnostic pour les grandeurs physico-chimiques ont été établies pour chaque équipement électrique et pour chaque type de fluide. Ces règles ont montré l'importance des paramètres liés à l'échantillonnage, à la méthode d'analyse et à la conception du transformateur et notamment l'importance du régleur en charge. Un lien entre analyse, défaut et origine du défaut a été établi et constitue la base de l'outil de diagnostic proposé. Ainsi l'outil identifie, à l'aide des analyses physico-chimiques réalisées sur le fluide, des défauts possibles et propose des origines de panne du transformateur. Finalement, une piste de pronostic d'état est abordée afin de développer le diagnostic. / The scope of this thesis was designed to contribute to solving the transformer monitoring problem of monitoring of transformers by analyses oil. The methodology and the results presented are based on concrete cases of assessed de-tanked transformers and oil analysis laboratory. The rules of diagnosis for physicochemical quantities have been established for each electrical equipment and for each type of fluid. These rules showed the importance of the sampling parameters, the method of analysis and the design of the transformer and especially the significance of the on load tap changer. A link between analysis, defect and origin of the defect was established which is the basis of the proposed diagnosis tool. Thanks to the chemical analyses, this tool enables to identify potential defects in the transformer and reveals some origins of failures.

Le but de cette thèse est d'étudier et de calculer les pertes par courants de Foucault dans les transformateurs de distribution, et principalement dans leurs cuves, par la méthode des éléments finis en trois dimensions. La modélisation de ces appareils s'est heurtée à des difficultés liées : - aux faibles épaisseurs des tôles : ainsi, leur maillage avec des éléments finis volumiques conduit à un grand nombre d'éléments. - aux effets de peau qui peuvent être prononcés. Les difficultés de maillage sont encore accrues, à cause des variations rapides des champs dans la peau. - aux non linéarités de la caractéristique magnétique des matériaux. Compte tenu de ces difficultés, nous avons dû développer des méthodes numériques adaptées, qui sont : - différents types d'éléments spéciaux, permettant de diminuer les problèmes de maillage. En magnétostatique, ils permettent de décrire des entrefers minces et des régions ferromagnétiques minces. En magnétodynamique, ils permettent la modélisation de régions minces conductrices présentant une épaisseur de peau même faible par rapport à l'épaisseur de la région, de conducteurs massifs dans lesquels l'effet de peau est prononcé, décrits avec la notion d'"impédance de surface", de régions minces faiblement conductrices et de régions conductrices de type filaire. - des méthodes prenant en compte la saturation des matériaux magnétiques en régime harmonique (sinusoïdal). Une première méthode, pour des éléments volumiques, s'appuie sur une équivalence énergétique et permet de calculer uniquement des grandeurs globales. Une autre méthode, utilise la formule de l'impédance de surface calculée pour une caractéristique du matériau magnétique supposée en échelon. Les éléments spéciaux et les méthodes de prise en compte des non linéarités ont été validés par comparaison à des solutions analytiques, à des modélisations bidimensionnelles ou axisymétriques. La simulation d'un transformateur réel a été traitée pour déterminer les pertes par courants de Foucault dans la cuve.

La connaissance et la maîtrise de nombreux régimes transitoires qui apparaissent et se propagent sur les réseaux et dans les matériels qui y sont connectés (transformateurs, parafoudres, ...) est un problème d'actualité. Un transformateur de puissance relié à un réseau moyenne tension ou très haute tension est soumis à différents types de surtension dont la connaissance permet d'évaluer les contraintes auxquelles sont soumises les isolations internes. D'une part, nous avons élaboré un nouveau modèle de transformateur cuirassé valable sur une très large gamme de fréquences, issu du principe de la dualité magnétique électrique afin de connaître son comportement interne (fréquences de résonance, coefficients de surtension). Ce modèle est destiné à être introduit dans des codes de calcul de réseaux, par exemple EMTP. Le modèle prend en compte les pertes dans le cuivre et dans le noyau magnétique. Des méthodes ont été également développées pour un calcul fiable des paramètres du modèle. D'autre part, une méthode d'analyse modale permettant d'illustrer le comportement oscillatoire d'un transformateur a été développée. Cette méthode conduit à un schéma équivalent qui sert à étudier les interactions du transformateur avec le réseau. Dans ces précédents modèles, les résultats calculés de simulation sont en bon accord avec ceux obtenus par la mesure, tant sur modèle réduit que sur transformateur THT réel. Par ailleurs, un algorithme de calcul de réseaux électriques fondé sur I'inversion de la transformée de Laplace a été développé. II permet l'inversion de la transformée de Laplace de plusieurs fonctions à la fois, en y adaptant la méthode nodale. Les résultats de calcul sont en très bon accord avec ceux des mesures et permettent d'espérer une meilleure simulation du système ligne-transformateur.

Les Transformateurs Moyenne Fréquence (TMF) sont une technologie innovante par rapport aux transformateurs basse fréquence, avec la promesse d’une réduction de volume et d’une augmentation du rendement. Cette thèse s’intéresse en particulier à leur conception pour des applications haute tension forte puissance, telles que les réseaux haute tension et moyenne tension à courant continu, ainsi que les réseaux ferroviaires. Dans ces applications, les TMF sont utilisés au sein de convertisseurs pouvant générer des contraintes spécifiques à prendre en compte durant leur conception : signaux non-sinusoïdaux, tension de polarisation, valeurs d’inductances cibles. De plus, les choix technologiques actuellement disponibles pour la réalisation des TMF sont nombreux, et aucun de ces choix ne fait actuellement consensus quelle que soit l’application visée. Des tendances ont pu être identifiées à l’aide d’un outil de classification des designs de TMF issus de la littérature. Ainsi, les technologies les plus prometteuses ont été sélectionnées et retenues pour la suite. A partir de ces technologies, une méthodologie de conception permettant de concevoir et comparer rapidement et ce de façon semi-automatique des TMF avec différents choix technologiques a été mise en place. Elle est constituée de trois étapes : pré-design, design analytique et validation. Le design analytique complet du TMF avec différents choix technologiques est réalisé à l’aide d’un outil de conception automatisée développé durant cette thèse, que nous avons nommé SUITED (SUpergrid Institute TransformEr Design). Cette méthodologie requiert des modèles et données pour chacun des composants et phénomènes du TMF. Concernant le noyau magnétique, une revue et une sélection de modèles issus de la littérature ont été effectuées pour l’évaluation de l’inductance magnétisante et des pertes magnétiques. De plus, des caractérisations magnétiques ont permis de mettre en évidence l’impact de certains procédés technologiques sur les niveaux de pertes de noyaux magnétiques en matériau nanocristallin, qui est un excellent candidat pour les TMF. Au niveau des bobinages, des modèles analytiques pour calculer le champ magnétique, l’inductance de fuite et les effets de peau et de proximité ont été développés et comparés avec ceux de la littérature ainsi que des simulations. Ces nouveaux modèles s'avèrent obtenir une meilleure précision sur les géométries de TMF considérées que ceux de la littérature. De plus, une nouvelle méthode d’évaluation des capacités parasites de bobinages à spires rectangulaires a été mise en place et validée avec succès. Des schémas thermiques équivalents ont été identifiés pour différentes géométries de TMF. Les résistances thermiques de conduction, convection et radiation sont calculées à partir de modèles détaillés. En particulier, l’anisotropie des matériaux est prise en compte pour la conduction thermique, et les coefficients de convection sont évalués via des corrélations différentes pour chaque face du TMF. Les schémas thermiques sont ensuite résolus de façon itérative et analytique pour prendre en compte les non-linéarités des résistances thermiques tout en optimisant le temps de calcul nécessaire. Enfin, l’ensemble de la méthodologie de conception mise en place a été appliqué sur trois cas d’études correspondant à des applications cibles : haute tension, moyenne tension et ferroviaire. Les résultats obtenus montrent effectivement la performance et la nécessité de cette approche / Medium Frequency Transformers (MFT) are an innovative technology compared to low frequency transformers, with the promise of reduced volume and increased efficiency. This PhD thesis focuses in particular on their design for high voltage, high power applications, such as high voltage and medium voltage DC networks, as well as railway networks. In these applications, MFTs are used in converters that can generate specific constraints to be taken into account during their design: non-sinusoidal signals, polarization voltage, target inductance values. Moreover, the technological choices currently available for the realization of MFTs are numerous, and there is currently no consensus on any technology for any given application. Trends could be identified using a tool to classify MFT designs from the literature. Thus, the most promising technologies were selected and retained for the future. Based on these technologies, a design methodology was developed to quickly and semi-automatically design and compare MFTs with different technological choices. It consists of three steps: pre-design, analytical design, and validation. The complete analytical design of the MFT with different technological choices is carried out using an automated design tool developed during this thesis, named SUITED (SUpergrid Institute TransformEr Design). This methodology requires models and data for each of the components and phenomena of the MFT. Concerning the magnetic core, a review and selection of models from the literature were carried out for the evaluation of the magnetizing inductance and magnetic losses. In addition, magnetic characterizations have made it possible to highlight the impact of certain technological processes on the levels of loss of magnetic cores made of nanocrystalline material, which is an excellent candidate for MFTs. Concerning the windings, analytical models to calculate the magnetic field, leakage inductance and skin and proximity effects were developed and compared with those in the literature and simulations. These models are proving to be more accurate on the MFT geometries considered. On top of that, a new method for evaluating the parasitic capacitances of windings with rectangular turns has been successfully implemented and validated. Thermal networks have been identified for the different MFT geometries. The thermal resistances of conduction, convection and radiation are calculated from detailed models. In particular, the anisotropy of materials is taken into account for thermal conduction, and the convection coefficients are evaluated via different correlations for each face of the MFT. The thermal networks are then solved iteratively and analytically to take into account the non-linearity of the thermal resistances while optimizing the required computation time. Finally, this entire design methodology was applied to three case studies corresponding to the target applications: high voltage, medium voltage and rail. The results obtained do show the performance and necessity of this approach.

Le travail présenté dans ce mémoire s’intéresse à la prédiction des vibrations d'un noyau de transformateur multicouche, constitué d'un assemblage de tôles ferromagnétiques. Le problème couplé magnéto-mécanique est résolu par une approche séquentielle progressive : la résolution magnétique est suivie d'une résolution mécanique. Un modèle multi-échelle simplifié 3D décrivant les anisotropies magnétiques et magnétostrictives, et considérant les non-linéarités magnétiques et de magnétostriction, est utilisé comme loi de comportement du matériau. La structure du noyau du transformateur est modélisée en 2D. Une technique d'homogénéisation permet de tenir compte du comportement anisotrope de chaque couche afin de définir un comportement moyen pour chaque élément du maillage éléments finis.. Des mesures expérimentales sont ensuite effectuées, permettant d’une part la validation des lois de comportement matériau utilisées, et d’autres part des modèles de comportement structurel statique, du comportement structurel dynamique et de l'estimation du bruit. Différents matériaux et différentes géométries de prototypes de transformateurs sont considérés pour ce travail. Des optimisations structurelles sont finalement proposées grâce à des simulations numériques s’appuyant sur le modèle développé, afin de réduire les vibrations et les émissions de bruit du noyau du transformateur. / This thesis deals with the prediction of the vibration of a multi-layer transformer core made of an assembly of electrical sheets. This magneto-mechanical coupled problem is solved by a stepping finite element method sequential approach: magnetic resolution is followed by mechanical resolution. A 3D Simplified Multi-Scale Model (SMSM) describing both magnetic and magnetostrictive anisotropies is used as the constitutive law of the material. The transformer core structure is modeled in 2D and a homogenization technique is implemented to take the anisotropic behavior of each layer into consideration and define an average behavior at each element of the finite element mesh. Experimental measurements are then carried out, allowing the validation of the material constitutive law, static structural behavior, dynamic structural behavior, and the noise estimation. Different materials geometries are considered for this workStructural optimizations are finally achieved by numerical simulation for lower vibration and noise emission of the transformer cores.

Cette thèse de doctorat traite des méthodes d’évaluation de l’état des transformateurs de puissance à huile. Elle apporte une approche particulière de mise en oeuvre des méthodes de classification dans la fouille de données. Elle propose une stratégie qui met en oeuvre deux nouveaux indicateurs de santé de l’huile construit à partir d’un système neuro flou ANFIS (Adaptative Neuro-Fuzzy Inference System) et un classifieur ou prédicteur de défaut construit à partir des méthodes de classification supervisée, notamment le classifieur Bayésien naïf. Un organigramme simple et efficace d’évaluation de l’état des transformateurs y est proposé. Il permet de faire une analyse rapide des paramètres issus des analyses physico-chimiques de l’huile et de des gaz dissous. Une exploitation des méthodes de classification non supervisée, notamment les méthodes de k-moyennes et C-moyennes flous a permis de reconstruire les périodes de fonctionnement d’un transformateur marquées par des défauts particuliers. Il a aussi été démontré comment ces méthodes peuvent servir d’outil d’aide à l’organisation de la maintenance d’un groupe de transformateurs à partir des données d’analyses d’huile disponibles. / This PhD thesis deals the assessment method of the state of power transformers filled with oil. It brings a new approach by implementing classification methods and data mining dedicated to transformer maintenance. It proposes a strategy based on two new oil health indicators built from an adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS). Two classifiers were built on a labeled learning database. The Naive Bayes classifier was retained for the detection of fault from gases dissolved in oil. A simple and efficient flowchart for evaluating the condition of transformers is proposed. It allows a quick analysis of the parameters resulting from physicochemical analyzes of oil and dissolved gases. Using unsupervised classification techniques through the methods of kmeans and fuzzy C-means allowed to reconstruct operating periods of a transformer, with some particular faults. It has also been demonstrated how these methods can be used as tool to help the maintenance of a group of transformers from available oil analysis data.

Le transformateur de puissance est un équipement essentiel d’un réseau électrique et le plus coûteux dans les postes. Pour augmenter son degré de disponibilité et de fiabilité, il est nécessaire d’appliquer la manœuvre contrôlée afin de diminuer la saturation du noyau lors de l’enclenchement, et donc limiter les courants d’appel. Ces derniers sont asymétriques, d’amplitude élevée, et riches en harmoniques. Ils peuvent causer des effets indésirables comme le disfonctionnement des dispositifs de protections, l’endommagement mécanique des enroulements du transformateur et réduire en général la durée de vie et la qualité des systèmes. Une technique efficace pour réduire ces courants d’appel est de mettre sous tension le transformateur quand le flux dynamique généré par la source est égal à son flux rémanent. Un modèle simplifié du transformateur de puissance est adopté pour l’analyse des phénomènes physiques liés à l’application des manœuvres. Pour évaluer le degré de faisabilité de cette technique, des simulations sont effectuées en utilisant le simulateur de réseau EMTP. Les contraintes requises pour chacun des composants du système de manœuvre contrôlée comme les segments de ligne, les disjoncteurs sont étudiées en détail pour déterminer l’algorithme de calcul de l’instant optimal de manœuvres. Ensuite des tests de validation statistiques sont effectués afin d’évaluer les performances des différentes approches employées. Enfin une étude consacrée à la reconstitution du flux rémanent via un transformateur capacitif de tension (TCT) est menée pour appliquer l’algorithme de manœuvre contrôlée dans les postes en utilisant les équipements de mesure déjà existants. / Power transformers are vital equipment in electrical networks and are the most expensive ones in substations. In order to increase their availability and reliability, controlled switching must be applied for reducing cores saturation during its energization, called “inrush currents”. These inrush currents are asymmetrical, high-magnitude, harmonic-rich, and may cause many undesirable effects such as maloperation of protective relays and fuse, mechanical damage to the transformer winding and generally reduce the lifetime and quality of power systems. An efficient technique to reduce these inrush currents is to energize the transformer when the dynamic flux generated by the source is equal to its residual flux. A simplified model is adopted to analyze the physical phenomena related to the switching applications. In order to assess the feasibility of this technique, numerous simulations have been performed using EMTP simulator. The critical requirements for each component of the controlled switching system such as pieces of line, circuit breakers have been studied in detail in order to determine the best switching instant calculation algorithm. Then statistical validation tests have been conducted to evaluate the performances of its different approaches. Finally a study dedicated to the reconstitution of residual flux using a capacitive voltage transformer (CVT) has been carried on in order to apply the controlled switching algorithm in substations using their existing measurement equipments.

Le transport et la distribution de l'énergie électrique sont traditionnellement réalisés en alternatif (50 Hz ou 60 Hz), un des éléments-clés de ces infrastructures est le transformateur de puissance. Ce dernier est utilisé depuis plus d'un siècle et donc sa conception est maîtrisée (avec des rendements très élevés, supérieurs à 99 %). Depuis quelques années, la part des énergies renouvelables est en constante augmentation. Bien souvent, la production des énergies renouvelables est éloignée des centres de consommation. Or, le transport en courant continu sous haute tension (HVDC) sur de grandes distances est plus rentable. Dans ce cas, nous avons besoin de convertisseurs de puissance fonctionnant pour certains avec des Transformateurs Moyennes Fréquences (TMF) entre 1 kHz et quelques dizaines de kilohertz. Dans ces applications, la recherche du rendement maximal est primordiale. L'augmentation de la fréquence de fonctionnement a pour effet bénéfique de diminuer l'encombrement d'un transformateur. Cependant un certain nombre de problèmes vont apparaître avec cette augmentation. Nous pouvons citer : les pertes dans les conducteurs et dans le circuit magnétique sont liées à la fréquence ; le type de bobinages (fil de Litz et feuillard) et les matériaux magnétiques (ferrites et nanocristallins) en moyennes fréquences sont différents de ceux utilisés en 50 Hz ; le refroidissement est plus complexe car la densité de puissance volumique est plus élevée... Ainsi dans cette thèse, nous avons mis en place une méthodologie de conception afin de maîtriser au mieux le dimensionnement d'un TMF avec un compromis précision et coût de calculs. Nous avons identifié les modèles (analytiques et numériques) susceptibles d'être utilisés pour estimer les performances d'un TMF. Deux TMF d'une puissance de 180 kVA et de 1 kVA ont été dimensionnés, fabriqués et testés afin de mettre en évidence le domaine de validité et d'ajuster les différents modèles. Ce travail nous a permis de mettre en place une méthodologie de conception allant des spécifications du convertisseur jusqu'à la simulation de celui-ci avec le modèle du transformateur dimensionné. Nous avons mis en évidence : l'influence de paramètres technologiques sur l'élévation de la résistance pour des bobinages de type feuillard et l'influence de paramètres technologiques sur les propriétés magnétiques des matériaux nanocristallins. Ce travail de thèse a été réalisé avec le groupe « Matériaux du Génie Electrique » du laboratoire Ampère et financé par l'institut pour la transition énergétique SuperGrid Institute / The transmission and distribution of electric power is normally made by ac networks (50 Hz or 60 Hz), where one of the key elements of this infrastructure is the power transformer; used for more than a century, its design is very well understood, with a level of operating efficiency normally greater than 99%. In recent years, the share of renewable energy has been increasing. Often times the energy generated from renewable sources is produced far from consumption centers, and so transportation in the form of high voltage direct current (HVDC) over long distances is more profitable, due to the lower losses seen than with HVAC after a certain length of transmission line. In this case, we need power converters operating with Medium Frequency Transformers (MFT) from 1 kHz to tens of kilohertz. For these applications, the research of their maximum efficiency in operation is paramount. Increasing the transformer operating frequency has the beneficial effect of reducing its size. However, a number of problems will appear with this frequency increase, such as: the increase in the losses in the conductors and the magnetic circuit that are related to the frequency; the less well understood winding type (Litz wire and foil) and magnetic materials (ferrites and nanocrystalline) in the MF that are different from those used at 50 Hz; the cooling is more complex because the power density is higher, etc. In this thesis, a design methodology was developed in order to optimise the design of MFTs with respect to the compromise between accuracy and the length of calculations. In addition, analytical and numerical models were identified that can be used to accurately estimate the performance of an MFT. Furthermore, two MFTs (apparent power: 180 kVA and 1 kVA, respectively) were sized, manufactured and tested in order to demonstrate the domain of validity of the models, and also for optimisation of the different models. This work has enabled the development of a design methodology using the converter specifications and build a simulation with complete model of the transformer, which can then be used to validate an MFT design. We have highlighted: the influence of the technological parameters on the rise of resistance in the foil coils and the influence of the technological parameters on the magnetic properties of nanocrystalline materials. This work was performed with the group "Materials for Electrical Engineering" Ampère laboratory and funded by the Institute for Energy Transition SuperGrid Institute.