Renforcer le réseau :des scientifiques développent des traversées de transformateur résistantes aux tremblements de terre

INSIDER sur l'électronique de puissance

Jon Bender de W. E. Gundy and Associates (WEGAI) est photographié ici à côté d'un exemple de transformateur de puissance qui s'applique à cette recherche sur les traversées. (Image :INL)

Le réseau électrique que nous tenons pour acquis implique des équipements volumineux et coûteux, notamment des transformateurs de puissance. En cas de panne, le remplacement peut prendre plus d'un an et entraîner des coûts énormes. Dans les zones densément peuplées et sismiquement actives comme la Californie ou le nord-ouest du Pacifique, le temps n'est pas un luxe.

Lors d’un tremblement de terre, l’endroit où un gros transformateur de puissance haute tension est le plus vulnérable sont ses traversées – des isolants électriques creux qui guident le courant en toute sécurité entre les enroulements internes d’un transformateur et les lignes électriques externes. Ils sont le plus souvent fabriqués en porcelaine en raison de sa capacité à isoler le matériau conducteur, généralement du cuivre ou de l'aluminium, et à empêcher le courant haute tension de fuir ou de produire des étincelles et de provoquer des explosions.

Les bagues sont boulonnées sur les tourelles d’un transformateur, qui s’étendent depuis le réservoir principal. C’est sur ces connexions que s’est concentrée une équipe de chercheurs de l’Idaho National Laboratory (INL). L'objectif de l'équipe est de développer un isolateur mécaniquement simple et réglable, appelé découpleur, qui peut être monté à la base d'une bague et réglé pour empêcher les fréquences de résonance dans la bague et la tourelle de correspondre (ce qui entraîne une amplification des contraintes mécaniques sur la bague en porcelaine).

"Les fréquences de résonance sont la clé de voûte", a déclaré Bjorn Vaagensmith, chercheur principal du projet et lauréat du Prix présidentiel de début de carrière 2025 pour les scientifiques et les ingénieurs.

Tous les objets ont une fréquence de résonance, qui se produit lorsque les vibrations d'entrée sont amplifiées au maximum dans un objet. Lorsqu’une onde sonore brise un verre à vin ou un miroir, c’est une fréquence de résonance à l’œuvre. Dans l’histoire du génie civil, l’exemple le plus connu est peut-être l’effondrement du pont de Tacoma Narrows en 1940. La vitesse et la direction du vent, combinées à la conception et aux matériaux du pont, qui créaient une fréquence de résonance, faisaient osciller énormément son tablier. Cela a valu au pont nouvellement construit le surnom de « Galloping Gertie » – avant qu'il ne se brise en morceaux et ne tombe dans Puget Sound après quatre mois.

Lors d'un tremblement de terre, les ondes sismiques provoquent un mouvement du sol oscillant de haut en bas ou de va-et-vient qui est transféré dans de grands transformateurs de puissance. En raison de leur flexibilité et de leur densité, les grands réservoirs de transformateurs de puissance en acier et remplis d'huile isolante peuvent entrer en résonance dynamique avec les équipements qui y sont montés. Lorsqu'un réservoir et ses bagues montées sont sur la même longueur d'onde, il existe un risque que les secousses amplifiées du tremblement de terre mettent les bagues sous tension jusqu'à une défaillance catastrophique.

Vaagensmith et ses collègues – Chandu Bolisetti de l'INL et Jon Bender de WEGAI, une société d'ingénierie basée à Boise – cherchent à résoudre ce problème en développant un dispositif de découplage qui éloigne la fréquence de résonance de la traversée de celle du transformateur. Le découpleur qu'ils conçoivent peut être facilement installé à la base de la traversée et installé ultérieurement sur les anciens modèles de transformateurs à faible coût. L'équipe cherche à obtenir un brevet sur le design.

Leur projet a été initialement financé par le programme de recherche et développement dirigé par les laboratoires de l’INL. Il est désormais soutenu en collaboration par le programme TRAC (Transformer Resilience and Advanced Components) du Bureau de l’électricité du Département américain de l’énergie et par le Bureau de la cybersécurité, de la sécurité énergétique et des interventions d’urgence (CESER) du ministère. Le programme TRAC existe pour accélérer la modernisation du réseau en relevant les défis liés aux technologies matérielles du réseau, notamment les grands transformateurs de puissance. Le bureau CESER vise à sécuriser et à renforcer l'infrastructure énergétique américaine contre les menaces et les dangers.

Au point culminant de leur projet, Vaagensmith et ses collègues espèrent tester de manière approfondie leur découpleur de fréquence de résonance. Ils ont réussi à se procurer un transformateur de 500 000 livres, qu’ils espèrent utiliser dans le simulateur de tremblement de terre de l’Université de Californie à San Diego en 2026. La table vibrante de l’université est la plus grande de ce type aux États-Unis et n’a d’égale qu’en taille par une autre au Japon. Il s'agira du premier test de cette envergure et pourrait avoir un impact significatif sur les exigences de sécurité des transformateurs dans les zones sismiques.

En collaboration avec l'Université de Buffalo, l'équipe a de nombreuses occasions de se tromper. C'est le but de l'expérimentation. "Nous pouvons échouer comme nous le voulons", a déclaré Vaagensmith. "Nous pouvons tester notre solution et tester jusqu'à ses limites. Nous voulons être sûrs de savoir comment concevoir le découpleur avant d'aller à San Diego."

"Les gens sont enthousiasmés par cela", a déclaré Vaagensmith. "Nous avons l'opportunité de résoudre un débat de longue date sur les mesures appropriées de protection des transformateurs sismiques et de proposer une solution pour les fabricants de traversées qui ne les oblige pas à se rééquiper. Les services publics seront satisfaits et le réseau sera plus résilient."

Source