Appareil de mesure de la rigidité diélectrique (spark tester)
Résumé :
Analyse, prédiction, purification et modification de la puissance des gaz dissous Les systèmes d’alimentation et les transformateurs sont des équipements essentiels. Il est donc important de déterminer leurs conditions de fonctionnement pour garantir leur fiabilité et leur sécurité. C’est pourquoi l’utilisation de testeurs de rigidité diélectrique ou de testeurs d’éclateurs est essentielle. L’effet du vieillissement sur les propriétés (physiques, chimiques et électriques) de l’huile de transformateur a été étudié en utilisant des méthodes d’analyse internationales pour l’évaluation de la qualité de l’huile de transformateur. L’étude a été réalisée sur six transformateurs fonctionnant sur le terrain et ayant des périodes de contrôle de plus de vingt ans. Les propriétés fortement dépendantes du temps ont été spécifiées, et celles ayant un impact majeur sur l’acidité de l’huile de transformateur, la tension de claquage et l’analyse des gaz dissous ont été définies. Différents tests sur l’huile de transformateur ont été étudiés pour connaître le temps de purification ou sa modification, ainsi que la prédiction des caractéristiques dans différentes conditions de fonctionnement.
I. INTRODUCTION Les transformateurs de puissance sont des équipements très importants et coûteux utilisés dans la transmission et la distribution de l’électricité. Leur performance optimale est importante pour les systèmes d’exploitation électrique, car la perte d’une unité critique peut avoir un impact important sur la sécurité, la fiabilité et le coût de l’alimentation électrique. Les transformateurs de puissance sont utilisés pour augmenter ou diminuer la tension et constituent un élément clé de tout réseau de distribution d’électricité efficace. Un transformateur typique comprend des bobines de fil conducteur enroulées autour d’un noyau et recouvertes d’un support en papier isolant. Les huiles de transformateur, qui remplissent deux fonctions, constituent un élément essentiel du fonctionnement de cet équipement : Isolation électrique et dissipation de la chaleur.
Malheureusement, il arrive que les transformateurs tombent en panne, entraînant des coûts élevés pour le fournisseur d’électricité et, dans les cas extrêmes, des explosions possibles, menaçant les travailleurs de blessures graves, et des impacts environnementaux importants. Les transformateurs de puissance sont parmi les éléments les plus précieux et les plus importants des systèmes d’alimentation électrique. Le vieillissement du système d’isolation réduit à la fois la résistance mécanique et la résistance diélectrique du transformateur. Un transformateur âgé est sujet à des défauts entraînant des forces radiales et de compression élevées.
Dans le cas d’une défaillance d’un transformateur âgé, l’isolation du conducteur se détériore généralement au point de ne plus pouvoir résister aux contraintes mécaniques causées par la défaillance. La durée de vie et l’âge des transformateurs sont généralement liés à la dégradation de l’isolation, causée principalement par la contrainte thermique sur l’isolation en papier, ainsi que par la dégradation électrochimique de l’isolation. La durée de vie connue d’un transformateur est basée sur un paramètre conçu en fonction d’un fonctionnement normal et des conditions climatiques. Le vieillissement dépend non seulement de la charge, mais aussi du type de papier, de la composition de la pâte, de la teneur en humidité et en oxygène, ainsi que du degré d’acidité du liquide isolant.
L’isolation est le principal composant, qui joue un rôle important dans la durée de vie du transformateur. L’huile subit une détérioration et une dégradation continues en raison de l’application soutenue de contraintes thermiques dues à l’électricité, aux cycles de charge thermique et aux conditions climatiques. Cela peut être dangereux pour l’équipement électrique et l’installation. La surveillance continue des caractéristiques d’isolation de l’huile est devenue une tâche importante pour éviter la détérioration de l’huile dans les conditions de travail. Plusieurs efforts ont été déployés ces dernières années pour étudier les propriétés électriques, physiques et chimiques des huiles isolantes. L’entretien préventif quotidien d’un transformateur à huile consiste à enregistrer les relevés de niveau d’huile, les relevés de température, la moyenne annuelle des échantillons d’huile et à prélever des échantillons pour vérifier les propriétés physiques, chimiques et électriques. Les analyses d’huile comprennent la gravité spécifique, la viscosité cinématique, le point d’éclair, l’acidité totale, l’humidité, la désintégration sous contrainte et les gaz dissous. Il s’agit du contrôle de l’état de l’huile du transformateur.
Parmi ces efforts, il y a une caractéristique des huiles naturelles fraîches et vieillies. Ce domaine est encore ouvert pour étudier l’effet de la période de service sur les propriétés de l’huile de transformateur. Les différents tests d’huile de transformateur étudiés nous permettent de savoir quand il faut purifier, changer et prévoir le vieillissement dans différentes conditions d’exploitation.
II. EXPÉRIMENTATION La performance fiable de l’huile minérale isolante dans un système d’isolation dépend de certaines caractéristiques de l’huile de base, qui peuvent affecter la performance globale de l’équipement électrique. Pour remplir ses multiples fonctions diélectriques, de transfert de chaleur et d’arc électrique, l’huile doit posséder les propriétés de construction de base. Le degré de dégradation et de contamination de l’huile en service varie considérablement. L’huile minérale en service est susceptible de changer en raison des conditions d’utilisation. Dans de nombreuses applications, l’huile isolante est en contact avec l’air et donc soumise à des réactions d’oxydation accélérées dues à des températures élevées et à la présence de métaux, de composés métalliques, de composés organométalliques ou des deux en tant qu’agents oxydants.
Il existe un grand nombre de tests qui peuvent être appliqués à l’huile livrée avec l’équipement ou les appareils en service, mais les tests suivants sont jugés suffisants pour déterminer si l’état de l’huile convient à un fonctionnement continu et pour suggérer le type d’action corrective nécessaire. En général, il n’y a pas de test unique comme seul critère pour l’état de l’échantillon d’huile.
L’évaluation de l’état doit de préférence se fonder sur l’évaluation de composés caractéristiques significatifs déterminés dans des laboratoires correctement équipés. Des tests expérimentaux sont effectués sur les transformateurs à huile afin de déterminer expérimentalement leurs propriétés électriques, physiques et chimiques. Les tests expliqués ont été réalisés dans les laboratoires centraux de l’Egyptian Electricity Company, ministère de l’électricité et de l’énergie. Six transformateurs avec des échantillons d’huile de test pour étudier les caractéristiques de la durée de vie de l’huile. Des échantillons d’huile ont été prélevés dans les différents transformateurs. Ces transformateurs fonctionnaient dans la centrale électrique du sud du Caire. Les échantillons ont été prélevés sur des transformateurs fonctionnant pendant plusieurs années avec des charges et des conditions de fonctionnement différentes.
Les tests effectués sur l’huile de transformateur comprenaient : la tension de claquage, l’acidité totale, le point d’éclair, la densité et la viscosité cinématique. Les différents cas d’huile de transformateur utilisés dans les tests étaient :
Huile de transformateur neuve (fraîche) provenant des transformateurs (1 et 5). L’huile de transformateur des transformateurs (3 et 6) est purifiée. L’huile de transformateur des transformateurs (2 et 4) est altérée. Les classifications de ces transformateurs sont indiquées dans le tableau (1). Les effets des propriétés physiques, chimiques et électriques de l’huile de transformateur ont été étudiés en utilisant les méthodes d’analyse internationales pour l’évaluation de la qualité de l’huile de transformateur.
La détermination de la résistance à la traction de chaque échantillon d’huile de transformateur a été effectuée selon la procédure d’essai IEC 156. L’acidité totale d’un échantillon d’huile, exprimée en (mg KOH/g d’huile), a été déterminée selon la procédure décrite dans le document IP 139/64. Le point d’éclair de l’échantillon d’huile de transformateur a été réalisé conformément à la norme ASTM D92. La procédure d’analyse pour déterminer la viscosité de l’huile de transformateur (mm²/s) est donnée en référence, ASTM D445.
La gravité spécifique déterminée selon la norme ASTM 1298. Plusieurs méthodes d’interprétation de l’analyse des gaz dissous (DGA) dans les transformateurs en service sont fournies dans la norme IEC 60599, [le guide IEEE C57.104].
III. RÉSULTATS EXPÉRIMENT EXPÉRIMENT EXPÉRIMENT EXPÉRIMENT ET DISCUSSION L'huile de transformateur vieillit rapidement à des températures élevées et l'humidité agit comme un catalyseur de son vieillissement. Il existe également d'autres catalyseurs présents dans un transformateur qui sont responsables de la dégradation de l'huile. Il s'agit notamment du cuivre, de la peinture, du vernis et de l'oxygène. Le principal mécanisme de vieillissement de l'huile de transformateur est l'oxydation, qui entraîne la formation d'acides et d'autres composés polaires. Ces produits d'oxydation auront un effet néfaste sur l'étude des processus de dégradation. L'huile de transformateur, lorsqu'elle est soumise à des contraintes thermiques et électriques dans une atmosphère oxydante, perd sa stabilité et se décompose, s'oxyde, augmente son acidité et commence finalement à produire des boues. C'est le mécanisme de dégradation de l'huile. En réalité, les mécanismes du vieillissement de l'huile sont complexes.En général, l’oxygène réagit avec certains hydrocarbures par un processus radicalaire, ce qui génère des hydroperoxydes. Les hydroperoxydes ne sont pas stables et se décomposent pour former des cétones et de l’eau. La présence de groupes hydroxyle entraîne la production d’alcools et de phénols. La plupart des produits d’oxydation auront un effet négatif sur les propriétés électriques de l’huile. Les acides carboxyliques produits seront dissous dans l’huile ou évaporés. Les acides dissous peuvent endommager le papier et les bobines de cuivre, tandis que les acides évaporés corroderont le dessus de l’appareil. Par conséquent, les conditions nécessaires à la dégradation de l’huile sont réunies. Une partie importante de la dégradation de l’huile provient de l’air en contact avec l’huile chaude dans l’unité plutôt que de l’oxydation qui entraîne la dégradation de l’huile. La cellulose chaude est également une source d’oxygène.
Des tests expérimentaux sont réalisés avec l’huile de transformateur afin de clarifier expérimentalement ses propriétés électriques, physiques et chimiques. Les tests réalisés avec l’huile de transformateur comprenaient : la tension de claquage, l’acidité totale, le point d’éclair, la densité et la viscosité cinématique.
La tension de claquage a augmenté dans la première période et a ensuite diminué avec des périodes de temps plus longues. Dans des conditions normales de fonctionnement, la résistance à la traction sera réduite par l’oxydation et la contamination. Les huiles pour transformateurs sont généralement contaminées par de l’eau et des particules. Ces contaminants réduisent les qualités isolantes de l’huile pour transformateurs.
La diminution de la tension de claquage due à de longues périodes de service augmente certaines particules impures, ce qui augmente l’humidité et l’huile devient inhomogène, par conséquent, cela diminue la résistance de l’huile de transformateur, ce qui réduit la valeur de la tension de claquage maximale de l’huile de transformateur. Les décharges calmes et les flux de courant concentrés entraînent la formation d’eau, d’acides et d’hydrogène. L’arc et les décharges liquides favorisent la production de particules de carbone, de cire et de gaz tels que le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, l’acétylène et les acides dus à l’oxydation et aux décharges, le fer et le cuivre dans le liquide, ce qui entraîne une réduction de la résistance électrique.
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