Transformateur pour la ventilation des tunnels : Spécification des unités pour les tunnels routiers et les transports souterrains

La défaillance d’un équipement dans un tunnel routier ne commence presque jamais au niveau du circuit d’éclairage. Elle commence au niveau des ventilateurs. Un ingénieur en mise en service nous a décrit la séquence en termes simples : le premier groupe de ventilateurs à jet démarre correctement, le deuxième groupe fonctionne bien, le troisième groupe se met en marche et le réseau 480 V subit une baisse de tension, le variateur déclenche une coupure par sous-tension, et la ventilation tombe en défaut avant même que le test de fumée ne puisse commencer. Le transformateur pour la ventilation des tunnels avait été dimensionné à partir d’une liste de charges. Personne n’avait modélisé la phase de démarrage.

C’est là tout le problème de l’alimentation électrique des tunnels. La plupart du temps, la charge est modeste — quelques centaines de kilowatts pour l’éclairage, une poignée de ventilateurs, quelques pompes. Pendant quelques secondes, plusieurs fois par jour, elle n’est absolument pas modeste. Harmoniques VFD et l’unité qui résiste à une mise en marche moteur doit également supporter les sollicitations sur les entraînements de ventilation et continuer de fonctionner tandis qu’un incendie se déclare à quelques mètres de distance.

 

Quelle charge réelle un poste de transformation de tunnel doit-il supporter ?

Un tunnel est une petite usine industrielle étirée sur un kilomètre de béton. La ventilation domine la charge électrique, mais elle n’est pas la seule, et les différentes charges se comportent de façon totalement différente. Valider un seul chiffre en kVA sans les distinguer est la source de la plupart des erreurs de spécification.

Charge	Plage typique	Devoir	Conséquences sur le dimensionnement
Ventilateur à jet (axial, alimenté par entraînement)	22–250 kW	Démarrage/arrêt progressif, des centaines de cycles par an	Courant de démarrage à rotor bloqué et chute de tension sur le réseau BT
Ventilateur de ventilation de tunnel	200 à 1 000 kW	Continu, réversible pour l’extraction de fumée	Moteur le plus puissant ; détermine généralement la puissance minimale requise
Actionneurs et commandes de clapets coupe-feu	moins de 10 kW	Uniquement en cas d’urgence, doit maintenir sa position	Charge faible, mais partage le même tableau électrique et le même circuit onduleur (UPS)
Éclairage tunnel et éclairage de sécurité à LED	30 à 350 kW	Continu, fonctionnement à 100 %	Riche en harmoniques ; augmente le courant neutre
Pompes de puisard d’assainissement	15–110 kW	Environnement intermittent et humide	Démarrage contre une colonne d’eau ; risque d’intrusion d’humidité
Ventilation et déshumidificateurs de sous-station	10–60 kW	Continu	Augmente la température ambiante dans laquelle se trouve le transformateur lui-même
SCADA, vidéosurveillance, signalisation	moins de 20 kW	Continu	Exigence de fonctionnement continu pendant un événement d’incendie

Les lignes directrices de conception traitent déjà ces domaines comme des disciplines distinctes. Le Guide FHWA sur la conception des tunnels routiers (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfm) consacre des sections séparées à la ventilation, à l’éclairage, aux mesures de prévention incendie et à la conception antisismique — mais tous ces systèmes reposent sur un même calendrier de charges, et un seul transformateur doit généralement supporter le résultat total.

 

Le démarrage des moteurs fixe le seuil minimal, pas la charge en régime permanent

La charge en régime permanent est facile à calculer. Ajoutez les ventilateurs, l’éclairage et les pompes, appliquez un facteur de diversité, et une unité de 1 500 kVA paraît généreuse comparée à un tunnel de 900 kVA. Ensuite, examinez la phase de démarrage.

Un moteur asynchrone standard de conception NEMA B absorbe environ six fois le courant nominal lors d’un démarrage direct sur réseau. Prenons un moteur de ventilateur à jet de 250 kW sous 480 V : le courant nominal est d’environ 300 A, donc le courant de démarrage (à rotor bloqué) atteint environ 1 800 A, et ce pendant les deux à quatre secondes nécessaires au ventilateur pour atteindre sa vitesse de régime. Si l’on démarre une deuxième série de moteurs une demi-seconde plus tard, le transformateur supporte une charge qu’il ne rencontrera jamais durant son fonctionnement normal. C’est cette valeur qui détermine la puissance nominale indiquée sur la plaque signalétique.

Deux paramètres déterminent si le démarrage est acceptable : l’impédance en pourcentage du transformateur et l’impédance de l’alimentation. Un transformateur dont l’impédance est de 5,75 % limite confortablement le courant de court-circuit, mais provoque une chute de tension plus marquée aux bornes du moteur. Un transformateur à 4 % atténue cette chute de tension, mais augmente le courant de court-circuit prévisible, que le disjoncteur BT et le dimensionnement mécanique du jeu de barres doivent alors supporter. Sur une alimentation de 700 m menant à une salle de ventilateurs située au milieu d’un tunnel, l’impédance du câble peut causer une chute de tension supérieure à celle du transformateur lui-même.

Expérience pratique : nous effectuons le calcul de démarrage avant qu’un devis pour un tunnel ne quitte l’usine, et lorsqu’un client nous transmet uniquement une liste de charges, nous lui posons une seule question : quel est le moteur le plus puissant, comment est-il démarré et quelle est la longueur du câble qui y est raccordé ? Cette unique réponse a modifié la puissance nominale spécifiée sur davantage de projets de tunnel que toute autre ligne du planning.

 

Les harmoniques des variateurs de fréquence modifient le régime de fonctionnement d’un transformateur destiné à la ventilation de tunnel

Presque tous les nouveaux ventilateurs à jet sont entraînés par un variateur de fréquence, car un ventilateur tournant à 30 % de sa vitesse pendant les heures creuses rembourse le coût de son variateur uniquement grâce aux économies d’énergie réalisées. Ce variateur modifie également ce que le transformateur « voit » à ses bornes secondaires.

Un variateur à six impulsions absorbe un courant non sinusoïdal dont la distorsion harmonique totale se situe généralement entre 25 % et 45 % à l’entrée. La norme IEEE 519 limite la distorsion de tension à 5 % sur un réseau inférieur à 69 kV et resserre la limite de distorsion de courant à mesure que le courant de court-circuit disponible diminue. Les tunnels se trouvent à l’extrémité délicate de cette courbe : longues alimentations, sources relativement faibles et plusieurs variateurs alimentés depuis un même jeu de barres secondaire.

La conséquence est qu’un transformateur alimentant des variateurs de ventilation pour tunnel ne peut pas être dimensionné uniquement sur sa puissance nominale en kVA. Le courant harmonique engendre des pertes par courants de Foucault et des pertes dispersées qui font monter la température au point chaud des enroulements au-delà de ce que produirait une charge sinusoïdale de même puissance apparente. C’est pourquoi un transformateur à résine moulée transformateur sur un projet de tunnel est souvent commandé avec une note K, un neutre surdimensionné ou un enroulement triangle qui piège les harmoniques triplées, ainsi qu’une classe de température des enroulements offrant une marge suffisante au-dessus de la charge prévue.

Notre règle empirique pour les tableaux électriques alimentés par variateurs dans les tunnels où Harmoniques VFD dominer : prendre la capacité de traction connectée, ajouter une marge pour les pertes harmoniques et spécifier la classe d’élévation de température de l’enroulement une étape au-dessus de l’exigence minimale. Le coût supplémentaire figure dans le devis. Le coût d’une erreur survient à la septième année.

 

 

La sécurité incendie détermine la technologie, pas le prix

Demandez-vous pourquoi presque toutes les sous-stations situées dans les tunnels utilisent des équipements secs : la réponse n’est pas l’efficacité, mais la sécurité incendie. NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502définit les exigences en matière de protection contre l’incendie et de sécurité incendie pour les tunnels routiers, les ponts et autres autoroutes à accès limité, et considère la ventilation comme une fonction critique de sécurité incendie devant rester opérationnelle pendant un incendie.

Cette exigence se répercute directement sur le transformateur. Une unité remplie d’huile placée à l’intérieur de l’enveloppe du tunnel introduit un liquide inflammable, un bac de rétention, une salle blindée et une séparation incendie supplémentaire ; ainsi, la plupart des concepteurs évitent ce débat et spécifient un transformateur à résine moulée à l’intérieur de l’alvéole ou dans une salle adjacente. Les normes produits sont sans équivoque quant aux exigences que doit satisfaire un tel appareil : IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/) couvre les exigences générales applicables aux transformateurs de distribution et de puissance à isolation sèche, et la norme IEC 60076-11 couvre les transformateurs de puissance à isolation sèche jusqu’à 36 kV.

Un détail est négligé plus fréquemment qu’aucun autre : la qualité du transformateur ne dépasse pas celle de son alimentation. Lorsque le circuit de ventilation d’urgence doit conserver son intégrité pendant un événement incendiaire, le câble et ses raccordements doivent résister aux mêmes conditions. Une unité en résine coulée auto-extinguible raccordée avec un câble standard constitue une incohérence courante et coûteuse.

 

L’environnement des tunnels agit discrètement sur les équipements

L’air des tunnels est humide, poussiéreux et légèrement corrosif. Une humidité relative supérieure à 85 % est courante à l’intérieur d’un puits de ventilation ; les poussières de frein et de pneu se déposent sur toutes les surfaces horizontales, et dans le cas d’un tunnel côtier, des chlorures s’ajoutent à ce mélange. La température ambiante du puits peut atteindre 40 à 45 °C en été, mesurée à l’emplacement réel du transformateur et non à l’entrée du tunnel.

Les enroulements encapsulés dans de la résine résistent mieux à ces conditions qu’un enroulement sec enrobé, car, sur un transformateur à résine moulée le moulage étanche l’enroulement contre la pénétration de l’humidité. La spécification doit toutefois tenir compte de l’environnement : chauffages anti-condensation, boîtier de bornes avec indice de protection (IP), et température ambiante de conception déterminée à partir des conditions du puits, et non à partir de la moyenne climatique régionale.

L’altitude joue également un rôle. À 1 500 m, un transformateur perd près de 9 % de la densité de l’air disponible pour le refroidissement par convection ; ainsi, un appareil qui réussit son essai d’élévation de température au niveau de la mer n’est pas automatiquement acceptable sur un tracé en montagne. Demandez au fournisseur de préciser la dégradation de puissance applicable à la température ambiante et à l’altitude de votre site, et de fournir le calcul correspondant plutôt qu’une courbe générique — c’est le même contrôle que nous appliquons à chaque transformateur pour la ventilation des tunnels nous établissons un devis.

 

Ce que nous demandons avant de vous établir un devis

Cinq éléments déterminent la puissance nominale, le prix et le délai de livraison d’un transformateur destiné à un tunnel. Si ces éléments sont clairement indiqués dans la demande, le devis revient généralement exact du premier coup :

• Le calendrier de charge, avec le moteur le plus puissant mis en évidence. Indiquez-nous sa méthode de démarrage et la longueur du câble depuis la sous-station. Tout le reste découle de cette seule donnée.
• Type et nombre de variateurs de vitesse. À six impulsions, à douze impulsions ou à interface active (AFE), ainsi que le courant de court-circuit disponible au niveau du jeu de barres BT — cela détermine la marge harmonique.
• Conçu pour satisfaire des cadres réglementaires mondiaux rigoureux, ce système industriel utilise des borniers entièrement certifiés ainsi que des composants internes de protection électrique haut de gamme afin de garantir la sécurité intégrale de l’équipement. Conception ambiante, altitude, humidité et catégorie sismique applicables à l’ouvrage.
• Stratégie incendie. Équipement situé à l’intérieur de l’enveloppe du tunnel, dans une sous-station dédiée ou à distance — cette réponse détermine le choix entre transformateur sec et transformateur à fluide isolant.
• Certification et rendement cible. Rapports d’essai UL, CSA ou CEI, ainsi que le niveau de rendement requis par le pays de destination.

Ryan Electric fabrique des transformateurs secs et immergés dans l’huile pour des projets d’infrastructure et industriels en Amérique du Nord, au Moyen-Orient et en Asie du Sud-Est. Notre usine du Jiangsu couvre une superficie de 120 000 m² et est équipée de plus de 180 ensembles d’équipements de production et d’essai ; notre portefeuille de certifications comprend UL, CSA, IEEE, DEKRA et CNAS. Depuis 2023, nous opérons en tant que partenaire de coentreprise d’Eaton, ce qui soumet nos documents relatifs aux essais et à la qualité à un processus d’audit externe, et non à une déclaration sur l’honneur. Une commande pour tunnel est traitée de la même manière qu’une commande pour centre de données : les données des essais courants, les relevés d’élévation de température et les fichiers de certification sont expédiés avec l’appareil.

 

Envoyez le calendrier de charge, pas seulement la valeur en kVA

Le chiffre qui détermine un transformateur pour la ventilation des tunnels n’est que rarement le premier chiffre figurant sur la liste de charge. Envoyez à nos ingénieurs le calendrier de charge, le moteur le plus puissant, le type de variateur et les conditions du site, et vous recevrez en retour une puissance nominale, une marge harmonique et un calcul de déclassement que vous pourrez défendre lors de la revue de conception, plutôt qu’une plaque signalétique choisie à l’aveuglette.

À propos de l'auteur : Cet article a été rédigé par l’équipe d’ingénierie de Ryan Electric, fabricant de transformateurs situé dans la province du Jiangsu, en Chine, et partenaire industriel conjoint d’Eaton depuis 2023, fournissant des transformateurs secs et immergés dans l’huile certifiés UL, CSA et CEI pour des projets de tunnel, de métro, de centre de données et d’infrastructures électriques en Amérique du Nord, au Moyen-Orient et en Asie du Sud-Est.