Renforcer le réseau : des scientifiques développent des traversées de transformateurs résistantes aux séismes

Power Electronics INSIDER

Vulnérabilité du réseau électrique aux séismes

Le réseau électrique que nous tenons pour acquis implique des équipements grands et coûteux, notamment les transformateurs de puissance. Si l'un tombe, il peut prendre plus d'un an pour le remplacer et à des coûts massifs. Dans les zones densément peuplées et sismiquement actives comme la Californie ou le Nord-Ouest Pacifique, le temps n'est pas un luxe.

Pendant un tremblement de terre, l'endroit où un gros transformateur de puissance haute tension est le plus vulnérable est ses traversées (bushings) — des isolateurs électriques creux qui guident en toute sécurité le courant entre les enroulements internes d'un transformateur et les lignes électriques externes. Elles sont le plus souvent faites de porcelaine en raison de sa capacité à isoler le matériau conducteur, généralement cuivre ou aluminium, et à empêcher le courant haute tension de fuir ou de faire des étincelles causant des explosions.

Les traversées sont boulonnées sur les tourelles d'un transformateur, qui s'étendent vers le haut depuis le réservoir principal. Ces connexions sont ce sur quoi une équipe de chercheurs de l'Idaho National Laboratory (INL) s'est concentrée. L'objectif de l'équipe est de développer un isolateur ajustable mécaniquement simple, connu sous le nom de découpleur, qui peut être monté à la base d'une traversée et accordé pour prévenir les fréquences de résonance dans la traversée et la tourelle de correspondre (ce qui résulte en un stress mécanique amplifié sur la traversée en porcelaine).

Bjorn Vaagensmith, investigateur principal du projet et récipiendaire 2025 du Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers : « Les fréquences de résonance sont le point crucial. »

Tous les objets ont une fréquence de résonance, qui se produit quand les vibrations d'entrée sont maximalement amplifiées dans un objet. Quand une onde sonore brise un verre de vin ou un miroir, c'est la fréquence de résonance au travail. Dans l'histoire du génie civil, peut-être l'exemple le plus connu est l'effondrement du pont de Tacoma Narrows en 1940. La vitesse et la direction du vent combinées avec la conception et les matériaux du pont, qui ont créé une fréquence de résonance, ont causé l'oscillation sauvage de son tablier. Cela a valu au pont nouvellement construit le surnom de « Galloping Gertie » — avant qu'il ne se brise en morceaux et tombe dans le Puget Sound après quatre mois.

Dans un tremblement de terre, les ondes sismiques causent le mouvement oscillant haut-bas ou avant-arrière du sol qui est transféré dans les gros transformateurs de puissance. En raison de leur flexibilité et densité, les gros réservoirs de transformateurs en acier remplis d'huile isolante peuvent résonner dynamiquement avec l'équipement monté sur eux. Quand un réservoir et ses traversées montées sont sur la même longueur d'onde, il y a un danger que les secousses amplifiées du tremblement de terre stressent les traversées jusqu'à la rupture catastrophique.

Solution : dispositif de découplage accordable

Vaagensmith et ses collègues — Chandu Bolisetti de INL et Jon Bender de WEGAI, une entreprise d'ingénierie basée à Boise — cherchent à résoudre ce problème en développant un dispositif de découplage qui décale la fréquence de résonance de la traversée loin de celle du transformateur. Le découpleur qu'ils conçoivent peut être facilement installé à la base de la traversée et rétro-ajusté aux modèles de transformateurs plus anciens pour un faible coût. L'équipe poursuit un brevet sur le design.

Leur projet a été initialement financé par le programme de Recherche et Développement Dirigés par le Laboratoire d'INL. Il est maintenant soutenu en collaboration par le programme Transformer Resilience and Advanced Components (TRAC) du Bureau de l'Électricité du Département de l'Énergie des États-Unis et le Bureau de la Cybersécurité, de la Sécurité Énergétique et de la Réponse d'Urgence (CESER) du département. Le programme TRAC existe pour accélérer la modernisation du réseau en adressant les défis dans les technologies matérielles du réseau, incluant les gros transformateurs de puissance. Le bureau CESER vise à sécuriser et renforcer l'infrastructure énergétique américaine contre les menaces et hazards.

Test à grande échelle prévu pour 2026

Au sommet de leur projet, Vaagensmith et ses collègues espèrent tester leur découpleur de fréquence de résonance en grand. Ils ont réussi à sécuriser un transformateur de 500 000 livres, qu'ils espèrent emmener au simulateur de tremblement de terre de l'Université de Californie San Diego en 2026. La table de secousse de l'université est la plus grande de son genre aux États-Unis et n'est rivalisée en taille que par une autre au Japon. Ce sera le premier test de cette taille et pourrait impacter significativement les exigences de sécurité pour les transformateurs dans les zones sismiques.

En collaboration avec l'Université de Buffalo, l'équipe a beaucoup d'opportunités de se tromper. C'est le but de l'expérimentation. « Nous pouvons échouer comme nous voulons échouer », a dit Vaagensmith. « Nous pouvons essayer notre solution et tester jusqu'aux limites. Nous voulons être sûrs de savoir comment concevoir le découpleur avant d'aller à San Diego. »

Vaagensmith : « Les gens sont excités par cela. Nous avons une opportunité de résoudre un débat de longue date sur les mesures appropriées de protection sismique des transformateurs et de trouver une solution pour les fabricants de traversées qui ne les oblige pas à réoutiller. Les services publics seront contents, et le réseau sera plus résilient. »

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