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ENSC 2012 – N°350 THESE DE DOCTORAT DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN Pré

ENSC 2012 – N°350 THESE DE DOCTORAT DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN Présentée par Malick MOUHAMAD pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN Domaine : ELECTRONIQUE – ELECTROTECHNIQUE – AUTOMATIQUE REDUCTION DES PERTES A VIDE DES TRANSFORMATEURS DE DISTRIBUTION PAR UTILISATION DE RUBANS AMORPHES Thèse présentée et soutenue à Cachan le 28/02/2012 devant le jury composé de : Yannick CHAMPION Directeur de recherche – ICMPE (equipe MCMC) Président Afef LEBOUC Directrice de recherche – G2ELAB Rapporteur Daniel ROGER Professeur des universités – LSEE Rapporteur Frédéric MAZALEYRAT Professeur des universités – SATIE Directeur de thèse Daniel TOUILLIEZ Chef de département délégué LME – EDF R&D Examinateur Christophe ELLEAU Ingénieur chercheur LME – EDF R&D Examinateur Levent BASER Ingénieur Qualité – ABB Examinateur Olivier GENIN Directeur délégué DPI – ERDF Invité Klaus GIEFER Business Development Leader – Metglas Invité SATIE ENS CACHAN/CNRS/UMR 8029 61, avenue du Président Wilson, 94235 CACHAN CEDEX (France) Malick MOUHAMAD 1 EDF R&D – ENS Cachan Remerciements Les travaux de cette thèse ont été effectués à la fois au sein d’EDF R&D (site des Renardières), ainsi qu’au laboratoire SATIE de l’ENS Cachan. Je tiens tout d’abord à remercier mon directeur de thèse Frédéric MAZALEYRAT pour avoir donné son temps et énergie pour le bon déroulement de cette thèse. En parallèle, je remercie mon tuteur Christophe ELLEAU de m’avoir accordé son temps et sa confiance pour ces travaux de recherche. Sans eux, cette thèse n’aurait pas abouti à sa fin. Ils m’ont apporté toutes leurs compétences lorsque je leur demandais de l’aide. Je remercie le Département LME, spécialement Mme Claire LAJOIE-MAZENC et M. Daniel TOUILLIEZ pour m’avoir permis de mener cette thèse pendant 3 ans au sein d’EDF R&D. Je dois remercier M. Olivier GENIN d’ERDF pour le lancement de cette thèse et pour son temps consacré au suivi. Je dois mes sincères remerciements à mon chef de groupe Philippe BARATON pour son temps accordé à l’approbation des livrables et son soutien. Je remercie vivement les rapporteurs du jury de thèse, Mme Afef LEBOUC de G2ELAB et M. Daniel ROGER de l’Université d’Artois, qui ont bien voulu m’accorder du temps pour la lecture et critique de mes travaux. Je remercie également les autres membres du jury, M. Yannick CHAMPION et M. Levent BASER pour leur temps et intérêt accordés à ma soutenance. Je souhaite remercier Klaus GIEFER et Ryusuke HASEGAWA de Metglas pour avoir fourni les matériaux amorphes et pour leurs précieuses informations concernant la filière amorphe. Je remercie Dominique COLAS pour son aide aux essais de compatibilité chimique, Philippe LE-BEC pour les analyses DRX et Collette MILLEVILLE pour sa gentillesse et son temps consacré aux analyses DSC. J’associe à ces remerciements Christian FOURNIER pour avoir réalisé le recuit des rubans amorphes. Je remercie aussi les agents du groupe Essais (M21) pour les essais de puissance réalisés sur les transformateurs amorphes. Merci à mes collègues du groupe M24, avec qui je vais continuer de travailler, pour leur ambiance de travail et soutien. Un grand merci à ma femme et mon fils pour avoir supporté mes horaires de travail et pour leur soutien moral. Merci à mes parents, qui sont et seront toujours là pour moi. Malick MOUHAMAD 2 EDF R&D – ENS Cachan Résumé La présente étude traite l’application des rubans amorphes dans les transformateurs de distribution dans l’objectif de réduire les pertes dans le réseau d’électricité. Les matériaux utilisés sont un alliage à base de fer, silicium et bore. Les premières études sur ce matériau amorphe révèlent une très bonne compatibilité chimique de ces derniers avec les huiles de transformateur. Ces rubans possèdent des durées de vie entièrement conforme aux exigences d’ERDF. Les pertes à vide représentent un élément non négligeable dans l’efficacité énergétique des matériels. Un transformateur amorphe génère 2 fois moins de pertes pendant toute sa vie qu’un transformateur conventionnel C0Ck. D'un point de vue général, la technologie amorphe appliquée aux transformateurs de distribution publique présente un intérêt majeur pour la réduction des pertes à vide. L'investissement réalisé dans un matériel certes plus onéreux à l'origine se trouve rentabilisé grâce aux économies réalisées sur les pertes à vide. Le retour sur investissement est possible en 10 à 12 années environ mais reste très variable en fonction du prix d'achat négocié. La qualification des transformateurs amorphes nécessite que les matériels répondent aux exigences de la spécification d’ERDF comme le critère "Tenue aux courants de court-circuit" qui constitue une composante essentielle dans l'acceptation des transformateurs amorphes. La tenue aux efforts de court-circuit a historiquement été problématique sur les transformateurs triphasés à noyaux amorphes. Le noyau se cisaille pendant le court-circuit, libérant des particules métalliques préjudiciables à la tenue diélectrique de l'appareil. Depuis, les constructeurs ont fait des progrès dans la conception mais les matériels ne sont pas encore pleinement satisfaisants. La tenue aux courts-circuits est l’enjeu et le défi que doit franchir cette technologie pour s’implanter et être crédible en Europe. Malick MOUHAMAD 3 EDF R&D – ENS Cachan Abstract This PhD dissertation deals with the application of amorphous ribbons in distribution transformer cores in order to reduce network losses. The material is an alloy from iron, boron and silicon compounds. The first results on the material reveal a good physicochemical compatibility with tested transformer dielectric fluids. It should be noted these materials possess a far longer life than the transformer itself. The potential for reducing losses from distribution transformers is considered as one element of EU and national strategies on energy efficiency. Losses generated through amorphous transformers are twice less than conventional ones. Amorphous ribbon units represent a significant new advance in transformer technology and losses reduction. The investment, put to purchase the product, can be easily gained by the capitalisation of losses. The return can be achieved in 10 to 12 years, depending on the purchase price. It is expected that a transformer will be subjected to a number of short-circuits during its service life, but sooner or later one such event will cause some slight winding movement, and the ability of the transformer to resist further short-circuits will then be severely reduced. Amorphous metal distribution transformers (AMDT) is no exception and they should be able to resist electrodynamic forces during short-circuit test and match ERDF specifications. In fact, during SC, extreme electrodynamic forces cause the windings to deform and this shape deformity creates a lot of shear stress on amorphous cores which lead to break-up of some ribbons. The active part of an amorphous transformer should be strong enough to resist these stresses. In fact, the behaviour of the core materials under short circuit currents depends especially on the know-how of manufacturers who can outline electrodynamic stress inside transformers. Concept design and processes have been improved in order to provide reliable devices but the task is not completely done yet. Short-circuit withstand is one of the most important aspects which will approve this technology. Malick MOUHAMAD 4 EDF R&D – ENS Cachan Table des matières REMERCIEMENTS .................................................................................................................................. 1 RESUME .................................................................................................................................................. 2 ABSTRACT .............................................................................................................................................. 3 TABLE DES MATIERES .......................................................................................................................... 4 INTRODUCTION GENERALE ................................................................................................................. 9 QUELQUES NOTIONS SUR LA SPECIFICATION EDF ......................................................................11 LA FILIERE AMORPHE : ETAT DE L’ART ET ANALYSE DU CYCLE DE VIE ...... 13 1. MATERIAUX AMORPHES ET NANOCRISTALLINS. ORGANISATION DE LA FILIERE AMORPHE .............................................................................................................................................14 1.1. CONTEXTE .....................................................................................................................................14 1.1.1 Pertes dans le réseau ERDF ................................................................................................14 1.1.2 L’évaluation des différents matériaux magnétiques .............................................................15 1.2. HISTORIQUE ..................................................................................................................................16 1.2.1 Les premiers essais .............................................................................................................16 1.2.2 Une nouvelle tentative ..........................................................................................................17 1.3. MATERIAUX FERROMAGNETIQUES AMORPHES ..................................................................................18 1.3.1 Définition ...............................................................................................................................18 1.3.2 Entre le liquide et le verre .....................................................................................................20 1.3.3 Aspect thermodynamique .....................................................................................................20 1.3.4 Elaboration des matériaux amorphes ..................................................................................21 1.3.5 Propriétés .............................................................................................................................22 1.3.5.1 Propriétés mécaniques ................................................................................................................... 22 1.3.5.2 Propriétés magnétiques .................................................................................................................. 22 1.3.5.3 Influence des traitements thermiques sur les propriétés ................................................................. 25 1.4. MATERIAUX FERROMAGNETIQUES NANOCRISTALLINS .......................................................................26 1.4.1 Préparation ...........................................................................................................................26 1.4.2 Propriétés magnétiques .......................................................................................................27 1.4.3 Particularité de l’alliage Finemet ..........................................................................................28 1.4.4 L’avenir des matériaux nanocristallins .................................................................................29 1.5. MATERIAUX AMORPHES POUR TRANSFORMATEURS ..........................................................................30 1.5.1 Pertes dans les matériaux magnétiques ..............................................................................31 1.5.2 L’intérêt des amorphes Fe-Si-B ............................................................................................36 1.5.3 Les alliages amorphes dans les noyaux magnétiques ........................................................37 1.5.3.1 Formulation Metglas®2605SA1 ...................................................................................................... 38 1.5.3.2 Formulation Metglas®2605HB1 ...................................................................................................... 39 1.5.4 Problèmes liés à l’utilisation des rubans amorphes .............................................................40 1.5.5 Evolution des matériaux amorphes ......................................................................................41 1.6. LES TRANSFORMATEURS AMORPHES ...............................................................................................42 1.6.1 Les producteurs d’amorphes ................................................................................................42 1.6.1.1 Hitachi Metglas ............................................................................................................................... 42 1.6.1.2 Antai ............................................................................................................................................... 43 1.6.2 Capacité de production et prix du matériau amorphe ..........................................................43 1.6.3 La partie active .....................................................................................................................44 1.6.3.1 Le modèle « 5 legs » ...................................................................................................................... 46 1.6.3.2 Le modèle Evans ............................................................................................................................ 46 1.7. LES CONSTRUCTEURS DE TRANSFORMATEURS AMORPHES ...............................................................47 1.7.1 Constructeurs européens .....................................................................................................49 1.7.1.1 Siemens .......................................................................................................................................... 49 1.7.1.2 France Transfo ............................................................................................................................... 50 1.7.1.3 CG Power Systems ........................................................................................................................ 50 1.7.1.4 ABB ................................................................................................................................................ 51 1.7.1.5 AREVA ........................................................................................................................................... 51 Malick MOUHAMAD 5 EDF R&D – ENS Cachan 1.7.2 Constructeurs asiatiques ......................................................................................................51 1.8. CONCLUSIONS ...............................................................................................................................53 2. ANALYSE DU CYCLE DE VIE (ACV) ............................................................................................54 2.1. INTRODUCTION A L’ACV .................................................................................................................54 2.1.1 Origine de l’ACV ...................................................................................................................54 2.1.2 Méthodologie de l’ACV .........................................................................................................54 2.1.2.1 Définition des objectifs .................................................................................................................... 54 2.1.2.2 Inventaire ........................................................................................................................................ 55 2.1.2.3 Evaluation des impacts ................................................................................................................... 55 uploads/Geographie/ these-mouhamad 2 .pdf