Contribution à l'étude des courts-circuits interlaminaires dans les noyaux des transformateurs de puissance, A contribution to the study of interlaminar short circuits in power transformer cores

UniversitØ Lille Nord de France École doctorale SPI
UniversitØ d’A rtois Lab oratoire SystŁm es Électrotech niq u es et E nvironnem ent
Contribution à l’Øtude des courts-circuits
interlam inaires dans les noyaux des
transform ateurs de p uissance
T H ¨ S E
prØsentØe et sou tenu e p u b liq u em ent le 1 1 janvier 2 0 1 0
en vu e de l’ob tention du g rade
Docteur de l’UniversitØ
Discipline : GØnie Électrique
p ar
C arl A nselm S C H UL Z
C o m po sitio n d u jury
Rapporteurs : A . K O ST Professeu r, T U B erlin
A . LE B O UC D irecteu r de R ech erch e C NR S, E NSIE G G renob le
E xam in ateurs : S. D UC H E SNE M aître de confØrence, UniversitØ d’A rtois, C o-encadrant
R . LE M A ˛T R E R esp onsab le R & D , T h yssenK ru p p E lectrical Steel
E . M A T A G NE Professeu r, UniversitØ C ath oliq u e de Lou vain
D . R O G E R Professeu r, UniversitØ d’A rtois, D irecteu r de th Łse
M . T O UNZ I Professeu r, UniversitØ de Lille 1 , PrØsident du ju ryRemerciements
Cette thŁse a ØtØ rØalisØe à l’UniversitØ d’Artois au Laboratoire systŁmes Ølectro-
techniq ues et environnement dirig Ø p ar le P rofesseur J ean-F rançois Brudny. J e tiens
à remercier D aniel R o g e r de m’avoir accueilli de maniŁre trŁs chaleureuse à B Øthune.
Il a su Øtablir une atmosp hŁre de libertØ et de con ance, sa p atience et son enthou-
siasme ont donnØ des ailes à ces travaux . La co-direction de ce travail a ØtØ menØe p ar
S tØp hane D uc h e sne , q ui a su marier une g rande rig ueur scienti q ue avec beaucoup
de g ØnØrositØ et d’humour. J e tiens à lui ex p rimer, en ces lig nes, ma sincŁre g ratitude.
M es remerciements sincŁres s’adressent à Abdelmounaïm T o unzi, P rofesseur à l’Uni-
versitØ Lille 1 , q ui a accep tØ de p rØsider le jury ainsi q u’à Arnulf K o st , P rofesseur à
l’UniversitØ T echniq ue de B erlin (Allemag ne) et Afef L e b o uc , D irecteur de recherche
au C nrs, d’avoir accep tØ de jug er ce travail en Øtant rap p orteurs. J e leur ex p rime ma
p rofonde reconnaissance p our leur lecture critiq ue et Øclairante.
J e remercie R Øg is L e m a ît re , R esp onsable R & D chez T hyssenK rup p E lectrical S teel,
d’avoir accep tØ de faire p artie de mon jury de thŁse mais aussi p our son soutien constant
et son p rofessionnalisme p endant la rØalisation de ce travail.
J ’ex p rime toute ma reconnaissance à E rnest M ata g ne , P rofesseur à l’UniversitØ Ca-
tholiq ue de Louvain (B elg iq ue), p our avoir accep tØ d’Œtre ex aminateur de mon travail
et p our sa lecture minutieuse q ui a ap p ortØ de nombreuses amØliorations au mØmoire.
L’ap p ui de l’entrep rise T hyssenK rup p E lectrical S teel a ØtØ un facteur essentiel au
bon dØroulement des travaux . À ce titre, je remercie mes deux resp onsables J ean-N oºl
V inc e nt et T hierry Be lg ra nd. J e g arderai un formidable souvenir p rofessionnel et
humain des annØes p assØes ensemble. J ’associe à ces remerciements tous ceux q ui m’ont
aidØ dans la rØalisation des essais, p articuliŁrement Christian S w ia lk o w sk i, F rançoise
L e c le rc q et K laus G ü nt h e r.
H eureux est celui q ui arrive oø la bonne ambiance naît de maniŁre naturelle, d’autant
p lus q ue sa synthŁse arti cielle est di cile. J e suis in niment g rØ à tous les collŁgues
et amis q ui ont enrichi mes annØes de recherche à la F acultØ des sciences ap p liq uØes.
Q u’ils trouvent ici l’ex p ression de toute ma g ratitude. J e p ense p articuliŁrement à E w a
N a p ie ra lsk a q ui, avec une g entillesse hors normes, m’a accueilli et aidØ dŁs le p remier
jour au laboratoire. Un g rand merci à mes collŁg ues de bureau, N abil H ih at et S amuel
L o p e z, p our m’avoir tolØrØ p endant les maintes crises p arcourues. N os discussions q uo-
tidiennes ont ØtØ p our moi une source p rØcieuse d’insp iration et d’encourag ement.
iJe remercie vivement tous ceux du personnel technique et administratif, qui m’ont
facilitØ la tâ che. Pour l’Ølaboration de capteurs de champ je tiens à exprimer toute ma
gratitude à Emmanuel Mateo. Merci à Bernadette P hellion et à Magali Houlette
pour naviguer entre les Øcueils de l’administration. Je suis Øgalement grØ à Mathieu
J acques de m’avoir initiØ à certaines subtilitØs de la grammaire française.
La rØalisation des simulations numØriques doit Ønormement aux aides de Krzysztof
Komƒ za, Professeur à UniversitØ Polytechnique de Š ó d„ (Pologne), qui a enrichi ce
projet par ses connaissances intimes de la modØlisation. Je tiens à le remercier pour
des discussions Øclairantes et pour son support gØnØreux.
Ce travail n’aurait pu Œtre conduit sans le soutien nancier de la rØgion Nord-Pas-
de-Calais et du Fonds europØen de dØveloppement rØgional (F eder). À ce titre, je
les remercie de m’avoir permis de rØaliser cette thŁse, dans le cadre du pô le Medee
(maîtrise ØnergØtique des entraînements Ølectriques).
Merci à ma famille et à mes amis de m’avoir soutenu, de prŁs ou à distance.
iiTable des matiŁres
Introduction vii
1 C ontexte du travail 1
1.1 Domaine d’Øtude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Isolation des tôles magnØtiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 PropriØtØs du revŒtement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 ProcØdures d’Øvaluation de la qualitØ d’isolation . . . . . . . . . . 3
1.2.3 Contrôle de l’adhØrence du revŒtement . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 DØcoupe des tôles magnØtiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1 ProcØdures de dØcoupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 E ets d’une dØcoupe mØcanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.3 Microscopies 3D des bavures de dØcoupe . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Distinction thØorique des dØfauts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5 Courts-circuits dans les joints magnØtiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.1 Le chevauchement step-lap des joints magnØtiques . . . . . . . . 13
1.5.2 ConsØquences du step-lap sur les courts-circuits . . . . . . . . . . 15
1.6 É tat de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6.1 Courts-circuits provoquØs par bavures dans les transformateurs . 18
1.6.2 Extension aux travaux menØs sur les machines tournantes . . . . 19
1.6.3 DØtermination de la tension interlaminaire . . . . . . . . . . . . . 22
2 D Øtection de dØfauts dans un em p ilem ent p ar des m esures de cap acitØ 2 5
2.1 Introduction : approche statistique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Principe de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.1 Empilement parfait sans dØfauts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.2 Empilement rØel avec dØfauts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Mesures sur des empilements d’Øchantillons . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.1 Protocole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2 RØsultats pour bandes Epstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.3 RØsultats pour bandes refendues . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4 Analyse statistique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5 In uence des variations de la rØactance de la couche isolante . . . . . . . 4 5
2.5.1 Largeur di Ørente des tôles dans un noyau à gradins . . . . . . . 4 5
iiiTable des matiŁres
2.5.2 PropriØtØs du revŒtement soumises aux variations mineures . . . 47
2.6 PrØcision de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3 ModØlisation d’un court-circuit ØlØmentaire 53
3.1 O bjectif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2 Principe de la modØlisation expØrimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3 ProcØdure de caractØrisation expØrimentale . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.1 V ue d’ensemble du montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.2 Introduction des points de contact . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.3 Mesure du courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3.4 Mesures de tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3.5 Inuence de l’Øpaisseur du noyau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.6 ProcØdure d’acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.7 SynthŁse du protocole expØrimental . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4 RØsultats de la caractØrisation expØrimental