Sélection du transformateur pour les projets miniers : considérations clés pour les sites hors réseau et connectés au réseau

La fiabilité de l’alimentation électrique d’une mine influe directement sur la sécurité de la production et sur l’efficacité opérationnelle. En tant qu’équipement central de conversion d’énergie, le choix du transformateur détermine si l’ensemble du système électrique minier peut fonctionner de manière stable. Toutefois, les mines hors réseau et les mines raccordées au réseau diffèrent fondamentalement par leur structure de source d’énergie et leur mode de fonctionnement ; par conséquent, les critères de sélection des transformateurs varient également selon le cas. Cet article présente les points clés à considérer lors du choix d’un transformateur dans chacune de ces deux configurations.

Une mine hors réseau dépend entièrement de ses propres sources d’énergie (groupes électrogènes diesel, photovoltaïque solaire, stockage d’énergie, etc.) et n’est pas connectée à un réseau électrique externe. Le système doit assurer, en temps réel et de façon autonome, l’équilibre entre la production et la consommation d’électricité. Cela signifie que les fluctuations de la production d’énergie (par exemple, le caractère intermittent du photovoltaïque solaire) doivent être absorbées par les systèmes de stockage d’énergie et les groupes électrogènes de secours, ce qui accroît les exigences en matière de continuité d’alimentation.

Une mine raccordée au réseau est reliée à un réseau externe, qui sert de source principale ou de secours pour l’alimentation électrique et fournit un soutien stable en tension et en fréquence. La mine peut acheter de l’électricité sur le réseau et, lorsque les conditions le permettent, assurer partiellement son autoconsommation grâce à une production renouvelable. Le système est relativement moins complexe.

Le choix du transformateur pour un projet minier dépend tout d’abord du niveau de sécurité du lieu d’installation.

Transformateurs immergés dans l'huile utilisent de l’huile isolante comme milieu de refroidissement et d’isolation. Ils possèdent une forte capacité de surcharge et une bonne dissipation thermique, ce qui les rend adaptés aux sous-stations de surface, aux zones à ciel ouvert et à d’autres scénarios à faible risque mais à forte charge. Leur coût d’achat est inférieur, la technologie est éprouvée et ils offrent un bon rapport qualité-prix dans les conditions d’alimentation électrique à haute puissance. Toutefois, l’huile isolante comporte des risques de fuite et d’incendie, et sa qualité doit faire l’objet de contrôles réguliers.

Transformateurs à isolation sèche utiliser la résine époxy pour le moulage d’isolation. Ils sont sans huile, ignifuges et résistants au feu, ce qui les rend adaptés aux tunnels souterrains et aux faces de travail présentant de fortes concentrations de gaz ou des espaces confinés. Ils sont compacts, étanches à la poussière et à l’humidité, avec une maintenance courante simple. Leurs inconvénients sont un coût d’achat plus élevé et une capacité de surcharge relativement limitée.

En résumé : privilégier en premier lieu les transformateurs secs pour les zones souterraines à haut risque ; les transformateurs immergés dans l’huile peuvent être préférés pour les installations en surface et les scénarios à faible risque.

Comparaison des scénarios d'application

1. Adaptation aux fluctuations de la source d’alimentation. Les systèmes hors réseau utilisent souvent une configuration hybride « génération diesel + photovoltaïque (PV) + stockage d’énergie ». Les fluctuations de la production PV et les démarrages/arrêts du groupe électrogène diesel provoquent tous deux des variations de tension et de fréquence. Le transformateur doit donc posséder une bonne capacité de régulation de tension ; un modèle à prises sous charge (PSC) peut s’avérer nécessaire pour gérer les changements fréquents côté source d’alimentation.

2. Capacité à supporter les effets liés aux charges. Des équipements volumineux tels que les concasseurs et les broyeurs à boulets, utilisés dans les mines, peuvent absorber des courants de démarrage plusieurs fois supérieurs à leur valeur nominale. Un système hors réseau ne bénéficie pas du soutien robuste d’un réseau interconnecté ; le transformateur doit donc disposer d’une marge de surcharge suffisante afin d’éviter une chute brutale de la tension du système lors du démarrage des moteurs. Le dimensionnement de la puissance nominale doit reposer sur la courbe réelle de charge, avec une redondance raisonnable.

3. Conditions de transport et d’installation. Les routes menant aux sites miniers isolés sont souvent limitées, aussi faut-il tenir compte des dimensions, du poids et de la faisabilité du montage sur site des transformateurs. Si un transformateur à huile nécessite un remplissage d’huile sur site, il faut également disposer d’équipements et de conditions adéquats pour le traitement de l’huile.

1. Adaptation de l’impédance de court-circuit. Pendant le fonctionnement raccordé au réseau, l’impédance de court-circuit du transformateur doit être coordonnée avec la capacité de court-circuit du réseau. Une impédance trop faible entraîne un courant de court-circuit excessif, augmentant la charge sur les appareils de commutation ; une impédance trop élevée provoque une régulation de tension excessive. La vérification doit reposer sur le courant de court-circuit attendu fourni par le réseau.

2. Choix du groupe vectoriel. Les charges minières comprennent une forte proportion d’équipements non linéaires, tels que les variateurs de fréquence et les démarreurs progressifs ; les courants harmoniques peuvent ainsi affecter le fonctionnement des transformateurs. Le groupe vectoriel Dyn11 offre de meilleures performances que le Yyn0 en matière de résistance aux harmoniques et de suppression des harmoniques de rang 3, ce qui en fait un choix courant pour les transformateurs de distribution dans les mines raccordées au réseau.

3. Configuration de la puissance nominale et réserve d’extension. La croissance des charges dans les mines raccordées au réseau est généralement relativement stable. La puissance nominale du transformateur peut être fixée à « charge réelle × 1,1–1,2 », avec une marge d’extension prévue selon le plan de cycle de vie de la mine. Une puissance nominale excessive accroît non seulement les pertes à vide, mais abaisse également le facteur de puissance.

Pour le projet de mine de charbon de Nishbash, en Ouzbékistan, nous avons fourni trois sous-stations préfabriquées de style européen, raccordées au réseau électrique, d’une puissance de 3150 kVA et d’un rapport de transformation de 10/0.4 kV. Les appareillages haute tension, les appareillages basse tension et les transformateurs intégrés dans ces sous-stations ont tous été fabriqués par nos soins. Pour ce projet, nous avons sélectionné l’équipement le mieux adapté aux caractéristiques propres à la mine, ainsi qu’à d’autres facteurs tels que l’altitude, la température et l’humidité.

En particulier, lors du choix du transformateur, nous avons pleinement pris en compte les exigences de raccordement au réseau. Nous avons finalement retenu un transformateur immergé dans l’huile, doté d’un groupe vectoriel Dyn11 et d’une impédance de court-circuit de 5,5 %.

Q1. Les transformateurs destinés aux mines doivent-ils obligatoirement être des modèles spécifiques aux mines ?

Dans les zones souterraines et celles présentant un risque d’explosion, il est impératif d’utiliser des transformateurs conformes aux normes minières (type général ou type antideflagrant). Pour les sous-stations de surface et les zones à ciel ouvert, des transformateurs industriels standard peuvent être utilisés, à condition qu’ils répondent aux exigences relatives au degré de protection et à la résistance à la corrosion.

Le Q2. Les transformateurs à sec peuvent-ils être utilisés en extérieur ?

Oui, mais une enceinte de protection est requise, généralement avec un degré de protection IP54 ou supérieur, afin de résister à la poussière et aux conditions d’humidité.

Le Q3. Une mine hors réseau peut-elle utiliser un transformateur standard connecté au réseau ?

Non recommandé. Les caractéristiques de la source d’alimentation et les profils d’impact de charge des systèmes hors réseau diffèrent considérablement de ceux des systèmes connectés au réseau. Un transformateur standard connecté au réseau pourrait ne pas supporter les fluctuations fréquentes de tension ni les pics de courant au démarrage.

La différence fondamentale dans le choix du transformateur pour les mines hors réseau et celles connectées au réseau réside dans les exigences différentes que les caractéristiques de la source d’alimentation imposent au transformateur . Dans les scénarios hors réseau, les transformateurs doivent présenter une meilleure adaptation à la tension et une marge de surcharge plus élevée afin de gérer les fluctuations des sources d’alimentation autonomes et les effets des charges. Dans les scénarios raccordés au réseau, l’accent est davantage mis sur l’adaptation d’impédance, la suppression des harmoniques et la coordination avec les dispositifs de protection du réseau. Dans les deux cas, le niveau de sécurité constitue toujours la première ligne de démarcation entre les transformateurs immergés dans l’huile et les transformateurs secs : les transformateurs secs sont installés en sous-sol, tandis que les transformateurs immergés dans l’huile sont placés en surface. Ce principe reste inchangé, qu’une mine soit hors réseau ou raccordée au réseau.