ONAN contre ONAF : Guide complet des systèmes de refroidissement pour transformateurs immergés dans l’huile

Choisir le bon système de refroidissement pour votre transformateur immergé dans l'huile est une décision critique qui influence les performances, la durée de vie et les coûts d’exploitation. Ce guide propose une comparaison exhaustive des deux méthodes de refroidissement les plus courantes — ONAN (huile naturelle, air naturel) et ONAF (huile naturelle, air forcé) — afin de vous aider à prendre une décision éclairée.

1. Pourquoi Transformateurs immergés dans l'huile Besoin de refroidissement

Les transformateurs constituent les éléments moteurs des systèmes électriques de puissance, en adaptant les niveaux de tension pour permettre une transmission et une distribution efficaces. Toutefois, ce processus n’est pas 100 % efficace. Lors de leur fonctionnement, pertes dans le noyau (pertes à vide) et pertes cuivre (pertes sous charge) génèrent une chaleur importante.

Cette chaleur n’est pas simplement un sous-produit — elle constitue le facteur principal limitant la durée de vie d’un transformateur. Le système d’isolation interne du transformateur, généralement constitué de papier cellulosique imprégné d’huile, se dégrade plus rapidement à des températures élevées. En règle générale, le taux de vieillissement de l’isolation double pour chaque augmentation de 6 °C de la température au point chaud . Une chaleur excessive peut entraîner :

• Un vieillissement accéléré de l’isolation et une réduction de la durée de service
• La formation de boues et d’acides qui dégradent la qualité de l’huile
• Un risque accru de points chauds dans les enroulements et de surchauffe localisée
• Une défaillance catastrophique potentielle, provoquant des coupures de courant et des pertes économiques

Une gestion thermique efficace est essentielle pour maintenir des températures de fonctionnement sûres, garantir la fiabilité et atteindre la durée de vie attendue de 25 à 30 ans des transformateurs de puissance.

2. Méthode de refroidissement ONAN — Huile naturelle, air naturel

ONAN (huile naturelle, air naturel) est la méthode de refroidissement la plus simple et la plus couramment utilisée pour les transformateurs de distribution et les transformateurs de puissance plus petits. Elle repose entièrement sur un transfert de chaleur passif — aucun ventilateur, aucune pompe ni aucune pièce mobile n’est nécessaire.

2.1 Fonctionnement du refroidissement ONAN

Le cycle de refroidissement est entraîné par la convection naturelle (effet thermosiphon) :

1. Génération de chaleur : Les enroulements et le noyau génèrent de la chaleur pendant le fonctionnement.
2. Montée de l’huile : L’huile chaude devient moins dense et monte vers le haut du réservoir.
3. Dissipation thermique : L’huile chaude s’écoule vers les radiateurs externes (ou tubes de refroidissement), où elle transfère sa chaleur à l’air ambiant à travers les parois des radiateurs.
4. Refroidissement et retour : L’huile refroidie devient plus dense, retombe au fond du réservoir et répète ce cycle.

Cette méthode est entièrement motivée par la poussée d’Archimède et ne nécessite aucune énergie externe pour le refroidissement.

2.2 Avantages du refroidissement ONAN

• Zéro pièce mobile : L’absence de ventilateurs ou de pompes signifie un risque de panne mécanique pratiquement nul. Cela se traduit par une fiabilité maximale et des intervalles d’entretien les plus longs.
• Fonctionnement silencieux : En l’absence de bruit de ventilateur, les transformateurs ONAN conviennent parfaitement aux zones résidentielles, aux hôpitaux et aux installations sensibles au bruit. Les niveaux sonores sont typiquement ≤ 55 dB.
• Coût total de possession minimal : Aucune consommation d’énergie auxiliaire, entretien minimal (analyse annuelle de l’huile) et coût d’investissement initial inférieur à celui des systèmes de refroidissement forcés.
• Fiabilité prouvée : Cette technologie possède un historique d’exploitation dépassant un siècle et est parfaitement maîtrisée.

2.3 Inconvénients du refroidissement ONAN

• Capacité de refroidissement limitée : L’efficacité du refroidissement passif est plus faible, ce qui rend le refroidissement ONAN inadapté aux transformateurs très volumineux. Les limites pratiques de puissance sont généralement de 25 à 30 MVA.
• Mauvaises performances en climat chaud : Lorsque la température ambiante dépasse 30 °C, les transformateurs ONAN peuvent nécessiter une réduction de puissance (déclassement) de 20 à 30 % afin d’éviter la surchauffe.
• Encombrement physique plus important : Pour atteindre une puissance nominale donnée en MVA, les transformateurs ONAN requièrent des radiateurs plus volumineux que les conceptions à refroidissement forcé, ce qui exige davantage d’espace d’installation.

2.4 Applications typiques du refroidissement ONAN

• Transformateurs de distribution jusqu’à 30 MVA
• Postes sources ruraux et zones résidentielles où le niveau sonore constitue une préoccupation
• Applications à charge de base avec des charges stables et prévisibles
• Installations disposant d’un personnel d’entretien minimal

3. Méthode de refroidissement ONAF — Huile naturelle, air forcé

ONAF (huile naturelle, air forcé) s’appuie sur le principe ONAN en ajoutant des ventilateurs électriques aux radiateurs. L’huile circule toujours naturellement par convection, mais les courant d’air forcé ventilateurs améliorent considérablement la dissipation thermique.

3.1 Fonctionnement du refroidissement ONAF

5. Circulation naturelle de l’huile : Comme dans le cas de l’ONAN, l’huile chaude remonte des enroulements vers les radiateurs grâce à l’effet thermosiphon.
6. Refroidissement par air forcé : Des ventilateurs électriques montés sur les bancs de radiateurs soufflent de l’air à travers la surface des radiateurs, augmentant fortement le coefficient de transfert thermique et le débit de refroidissement.
7. Contrôle automatique : Les ventilateurs sont généralement activés par des capteurs de température lorsque la charge et la température interne augmentent. Ils s’éteignent automatiquement lorsque le refroidissement n’est plus nécessaire, optimisant ainsi la consommation énergétique.

Ceci est un système de refroidissement semi-actif qui fournit une capacité thermique supplémentaire sans nécessiter de pompes à huile.

3.2 Avantages du refroidissement ONAF

• Capacité de refroidissement accrue : ONAF fournit 25 à 40 % de capacité de refroidissement supplémentaire par rapport à ONAN. Cela permet au transformateur de supporter des charges plus élevées sans dépasser les limites de température.
• Flexibilité à double puissance nominale : La plupart des transformateurs de puissance sont spécifiés avec des puissances nominales doubles (par exemple, 40/50 MVA ONAN/ONAF). Ils fonctionnent en mode ONAN silencieux et à faible entretien à la charge de base, puis basculent automatiquement en mode ONAF lors des pics de demande.
• Augmentations de puissance : L’augmentation de capacité dépend de la taille du transformateur :
  • Inférieure à 2500 kVA : augmentation d’environ 15 % en mode ONAF
  • entre 2500 et 10 000 kVA : augmentation d’environ 25 %
  • Supérieure à 10 000 kVA : augmentation allant jusqu’à 33 % (ONAF1), ou jusqu’à 67 % avec un deuxième étage de ventilation (ONAF2)
• Efficace pour les charges variables : Idéal pour les applications présentant des fluctuations importantes de charge quotidiennes ou saisonnières.

3.3 Inconvénients du refroidissement ONAF

• Maintenance supplémentaire : Les ventilateurs comportent des pièces mobiles (roulements, moteurs) nécessitant des inspections périodiques et des remplacements (généralement tous les 7 à 10 ans).
• Coûts d'exploitation plus élevés : Le fonctionnement des ventilateurs consomme de l’énergie auxiliaire (~1–3 kW/h) et augmente les coûts d’exploitation par rapport au refroidissement ONAN pur.
• Génération de bruit : Les ventilateurs produisent un bruit compris entre 55 et 65 dB(A). Bien que ce niveau soit acceptable dans les environnements industriels, il peut poser problème dans les zones urbaines ou résidentielles.
• Dépendance à l’égard d’une alimentation électrique externe : Les ventilateurs nécessitent une alimentation auxiliaire fiable pour fonctionner.

3.4 Applications typiques du refroidissement ONAF

• Transformateurs de puissance moyenne à grande (plage de 30 à 100 MVA)
• Postes sources suburbains et installations industrielles soumises à des charges variables
• Installations à double puissance nominale nécessitant une augmentation saisonnière ou à la demande de la capacité
• Conceptions de transformateurs où l’encombrement constitue un critère important

4. ONAN contre ONAF — Tableau comparatif

5. Questions fréquemment posées (FAQ)

Q1 : Un transformateur immergé dans l’huile peut-il posséder à la fois des puissances nominales ONAN et ONAF ? Oui. On parle alors de transformateur à double puissance nominale et ce type est très courant pour les transformateurs de puissance. La puissance nominale de base est ONAN. Lorsque la charge augmente, des ventilateurs se mettent en marche afin d’assurer la puissance nominale supérieure ONAF (par exemple, 40/50 MVA ONAN/ONAF).

Q2 : De combien la puissance ONAF dépasse-t-elle celle de ONAN ?

L’augmentation de puissance varie selon la taille : jusqu’à 15 % pour les petits transformateurs, 25 % pour les unités moyennes, et de 33 à 67 % pour les grands transformateurs (supérieurs à 10 MVA).

Q3 : Quelle méthode de refroidissement est la plus fiable pour un transformateur à huile ?

ONAN est plus fiable car elle ne comporte aucune pièce mobile et n’est donc pas sujette à une défaillance mécanique. ONAF ajoute des ventilateurs qui nécessitent une maintenance et peuvent tomber en panne, bien qu’ils soient facilement remplaçables.

Q4 : Quel mode de refroidissement est moins coûteux — ONAN ou ONAF ?

ONAN présente des coûts initiaux et d’exploitation plus faibles . ONAF implique un coût initial plus élevé (15 à 20 %) ainsi que des coûts opérationnels à long terme supplémentaires (puissance des ventilateurs, maintenance).

Q5 : Comment choisir entre ONAN et ONAF ?

Prenez en compte votre profil de charge, température ambiante, contraintes acoustiques et capacités de maintenance. Pour des charges de base stables dans des climats frais, ONAN constitue le choix idéal. Pour des charges variables nécessitant occasionnellement une puissance maximale, une conception à double désignation ONAN/ONAF offre la meilleure souplesse.

6. Conclusion

Le choix entre ONAN et ONAF ne se résume pas à une simple sélection d’un code de refroidissement — il s’agit d’optimiser les performances, la fiabilité et le coût total de possession de votre transformateur en fonction de votre environnement opérationnel spécifique. Que vous ayez besoin de la simplicité silencieuse et sans entretien d’ONAN pour une application résidentielle ou de la capacité souple en pointe d’une conception à double désignation ONAN/ONAF, un partenaire technique compétent est essentiel.

Pour les projets nécessitant des transformateurs immergés dans l’huile fiables, Jiangsu Unita Electric Equipment Co., Ltd. (JSZONMA) fournit des solutions de transformateurs conçues en fonction de niveaux de tension spécifiques, de besoins en capacité, d’environnements de fonctionnement et de besoins en refroidissement.

Pourquoi collaborer avec JSZONMA ?

• Capacité de fabrication intégrée : Avec une superficie d’usine supérieure à 46 600 m² et des capacités de production internes pour les transformateurs et les appareillages électriques, JSZONMA prend en charge des solutions complètes de transformateurs, de la conception et de la fabrication aux essais et à la livraison.
• Contrôle qualité et certifications : Les produits JSZONMA répondent aux exigences internationales et sectorielles en matière de qualité, avec des certifications incluant CCC, ISO9001 et ISO14001. Les transformateurs ont également obtenu la certification d’essai de type reconnue par la State Grid Corporation of China.
• Soutien en ingénierie et en recherche-développement : JSZONMA collabore avec des universités et des instituts de recherche, notamment l’Université chinoise du pétrole et l’Université chinoise des sciences et technologies minières, afin d’améliorer la conception, l’efficacité et les performances d’application des transformateurs.
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• Personnalisation selon les projets : Forte de son expérience dans les postes de surélévation photovoltaïque et dans les solutions transformateurs sur mesure, JSZONMA peut fournir des produits adaptés à différentes conditions de charge, environnements d’installation et spécifications techniques.

Si vous sélectionnez un système de refroidissement pour transformateur immergé dans l’huile ou si vous planifiez un nouveau projet de transformateur, l’équipe d’ingénierie de JSZONMA peut vous aider à évaluer une solution appropriée en fonction de vos besoins d’application, notamment la puissance nominale, le mode de refroidissement, les conditions de fonctionnement et les exigences en matière de fiabilité.