Calculatrice d'analyse des gaz dissous : triangles et pentagones de Duval, CEI 60599 et IEEE

Ce que fait cette calculatrice

Elle prend les concentrations du chromatographe en ppm et applique chaque méthode d’interprétation dans son propre onglet, pour pouvoir les comparer sans les mélanger :

• Synthèse : le résultat de toutes les méthodes dans un tableau.
• Triangles de Duval 1 à 7 et pentagones de Duval 1 et 2, avec le point tracé sur la figure.
• CEI 60599:2022 : tableau 1 selon le type d’équipement, schéma simplifié du tableau 2, valeurs typiques de l’annexe A, vitesses d’augmentation, CO₂/CO, O₂/N₂ et C₂H₂/H₂.
• IEEE C57.104-2019 : statut AGD 1, 2 ou 3 avec les tableaux 1 à 4 selon l’âge du transformateur et le rapport O₂/N₂, variations entre analyses et vitesses par régression sur plusieurs analyses.
• IEEE C57.104-2008 : conditions 1 à 4, intervalle de prélèvement du tableau 3, litres de gaz par jour rapports de Rogers et de Doernenburg et méthode des gaz clés.
• IEEE C57.146-2005 : seuils et gaz clés pour les transformateurs immergés dans la silicone.

Si l’on saisit les analyses précédentes avec leur date (jusqu’à cinq), la calculatrice ajoute les variations et les vitesses de génération, les données qui tranchent vraiment. Si l’échantillon est du gaz libre du relais Buchholz, elle le convertit en équivalent dissous avec les coefficients d’Ostwald de la CEI 60599.

D’où viennent les gaz

Chaque mécanisme de dégradation à l’intérieur du transformateur casse certaines molécules et pas d’autres : c’est pourquoi le mélange de gaz identifie l’avarie.

• Hydrogène (H₂) : apparaît avec presque tout, et le premier lors de décharges partielles.
• Méthane et éthane (CH₄, C₂H₆) : échauffements modérés de l’huile.
• Éthylène (C₂H₄) : échauffements sévères, au-dessus de 300 °C.
• Acétylène (C₂H₂) : arc électrique. Il exige des températures supérieures à 700 °C et ne se forme pas autrement.
• Monoxyde et dioxyde de carbone (CO, CO₂) : dégradation de la cellulose, c’est-à-dire du papier isolant.

Statut AGD de l’IEEE C57.104-2019

L’édition 2019 ne classe plus le transformateur avec des limites fixes : elle classe l’analyse en trois statuts à partir des statistiques d’une grande population de transformateurs.

• Statut 1 : niveaux faibles et aucun signe de génération. Prélèvements habituels.
• Statut 2 : un gaz entre les tableaux 1 (90e percentile) et 2 (95e percentile), ou une augmentation confirmée entre analyses. Il faut investiguer et prélever plus souvent.
• Statut 3 : un gaz au-dessus du tableau 2, ou une vitesse de génération au-dessus du tableau 4. Génération active probable.

Les tableaux 1 et 2 dépendent de l’âge du transformateur (inconnu, 1 à 9, 10 à 30 ou plus de 30 ans) et du rapport O₂/N₂ (jusqu’à 0,2 ou au-dessus) ; sans O₂ ni N₂, on utilise la section au-dessus de 0,2. Le tableau 3 fixe la variation maximale entre deux analyses consécutives : si elle est dépassée, une analyse de confirmation est nécessaire dans un délai d’un mois. Le tableau 4 fixe la vitesse maximale en ppm/an, calculée par régression linéaire des 3 à 6 dernières analyses sur les deux dernières années, avec au moins quatre mois d’historique ; pour l’acétylène, toute augmentation compte.

La calculatrice applique aussi les critères de l’annexe D.8 sur le CO et le CO₂ (un CO élevé sans hydrocarbures indique une oxydation de l’huile, pas un défaut dans le papier) et rappelle que, avec tous les gaz en dessous du tableau 1, le guide déconseille d’identifier le type de défaut.

Conditions de l’IEEE C57.104-2008

La calculatrice classe l’analyse en quatre conditions avec le tableau 1 de l’édition 2008, qui a corrigé les valeurs de 1991 et reste la référence de terrain la plus répandue pour les appareils sans historique. La condition est celle du pire gaz ou du gaz combustible total, pas la moyenne.

Avec l’analyse précédente, le tableau 3 donne l’intervalle de prélèvement et la procédure selon le gaz combustible total et sa vitesse de génération (moins de 10, de 10 à 30 ou plus de 30 ppm par jour). Avec le volume d’huile, l’équation (1) s’applique aussi : plus de 2,8 litres de gaz combustible par jour indiquent un défaut actif.

L’édition 2019 a remplacé cette approche par le statut AGD décrit dans la section précédente. La calculatrice applique les deux éditions, chacune dans son onglet.

CEI 60599

La norme utilise trois quotients — C₂H₂/C₂H₄, CH₄/H₂ et C₂H₄/C₂H₆ — et un tableau qui les traduit en six types de défaut : PD (décharges partielles), D1 et D2 (décharges de faible et de forte énergie) et T1, T2 et T3 (défauts thermiques en dessous de 300 °C, entre 300 et 700 °C et au-dessus de 700 °C). Quand les rapports ne correspondent à aucune ligne, la calculatrice l’indique et applique le schéma simplifié du tableau 2, qui distingue au moins décharges partielles, décharges et défauts thermiques.

La limite de CH₄/H₂ pour les décharges partielles dépend de l’équipement : 0,1 dans les transformateurs, 0,2 dans les transformateurs de mesure et 0,07 dans les traversées, qui ont en outre leur propre schéma simplifié (tableau A.10). Dans le compartiment d’un changeur de prises le tableau 1 ne s’applique pas : on y utilise le triangle de Duval 2 et le rapport C₂H₄/C₂H₂.

La calculatrice compare chaque gaz aux valeurs typiques à 90 % de l’annexe A et, avec l’analyse précédente, la vitesse d’augmentation au tableau A.3. Si tous les gaz sont au bas des valeurs typiques, l’analyse est normale et la norme déconseille de diagnostiquer avec les rapports. Trois rapports auxiliaires complètent la lecture : CO₂/CO (implication du papier), O₂/N₂ (consommation d’oxygène, en dessous de 0,3) et C₂H₂/H₂ (au-dessus de 2, contamination depuis le changeur de prises).

Triangles de Duval

Chaque triangle prend trois gaz, les exprime en pourcentage de leur somme et place le point dans un diagramme ternaire divisé en zones. La calculatrice trace chaque triangle à partir des mêmes inégalités que celles qui classent le point : le dessin et le diagnostic ne peuvent pas diverger.

• Triangle 1 (CH₄, C₂H₄, C₂H₂) : le triangle classique de la CEI 60599 pour l’huile minérale. Frontières : 98 % de CH₄ pour PD ; 4, 13, 15 et 29 % de C₂H₂ ; 20, 23, 40 et 50 % de C₂H₄. La zone DT regroupe les mélanges de défauts thermiques et électriques.
• Triangle 2 (mêmes gaz) : pour l’huile des changeurs de prises en charge de type huile, où l’arc fait partie du fonctionnement normal. Zone N de fonctionnement normal et zones D1, X1, X3, T2 et T3 de fonctionnement anormal.
• Triangle 3 : le triangle 1 avec trois frontières déplacées pour chaque fluide alternatif.
• Triangles 4 et 5 : pour les défauts à basse température dans l’huile minérale. Le 4 utilise H₂, CH₄ et C₂H₆ ; le 5, CH₄, C₂H₄ et C₂H₆. Ils séparent le dégazage parasite de l’huile (S), l’échauffement en dessous de 250 °C (O) et les points chauds avec carbonisation du papier (C). L’IEEE C57.104-2019 indique d’appliquer le 4 aux défauts que le triangle 1 identifie comme PD, T1 ou T2, et le 5 aux défauts T2 ou T3.
• Triangles 6 et 7 : les équivalents du 4 et du 5 pour l’ester naturel FR3, dont le dégazage parasite produit beaucoup plus d’éthane.

Sources : CEI 60599:2022 (figures B.3 et B.4) et M. Duval, The Duval Triangle for LTCs, alternative fluids and other applications (2009). Les triangles 4 et 5 suivent les tableaux D.3 et D.4 de l’IEEE C57.104-2019.

Pentagones de Duval

Le pentagone (Duval et Lamarre, 2014) utilise les cinq hydrocarbures en même temps. Chaque gaz a son axe, du centre (0 %) au sommet (100 %), dans cet ordre : H₂, C₂H₆, CH₄, C₂H₄ et C₂H₂. Les cinq pourcentages forment un polygone irrégulier et le point de l’analyse est son centroïde, qui ne dépasse jamais 40 % sur un axe. Les frontières des zones sont celles de l’annexe D de l’IEEE C57.104-2019.

• Pentagone 1 : les six défauts de base (PD, D1, D2, T1, T2, T3) et le dégazage parasite S.
• Pentagone 2 : les mêmes décharges, mais les défauts thermiques sont répartis en T3-H (dans l’huile seulement), C (avec carbonisation du papier) et O (échauffement en dessous de 250 °C).

Ils ne remplacent pas les triangles 1, 4 et 5. Si pentagones et triangles divergent, l’explication la plus probable est un mélange de défauts.

Rogers, Doernenburg et gaz clés

Ce sont les deux méthodes de rapports de l’IEEE C57.104-2008. Rogers utilise CH₄/H₂, C₂H₂/C₂H₄ et C₂H₄/C₂H₆ et attribue l’un de six cas, de l’appareil normal au défaut thermique au-dessus de 700 °C. Doernenburg utilise quatre rapports (CH₄/H₂, C₂H₂/C₂H₄, C₂H₂/CH₄ et C₂H₆/C₂H₂) et vérifie qu’il y a assez de gaz avant de diagnostiquer : si aucun gaz clé ne dépasse le double de sa limite L1, ou si ni l’éthane ni le CO ne dépassent L1, il n’y a pas de défaut (figure 4), et si un rapport n’a aucun gaz au-dessus de L1, il n’est pas significatif. Pour le gaz libre du relais, il applique les colonnes d’espace gazeux.

La méthode des gaz clés (figure 3) compare les proportions des six gaz combustibles à quatre profils types — huile surchauffée (éthylène), cellulose surchauffée (CO), décharges partielles (hydrogène) et arc (acétylène) — et affiche le plus proche avec le gaz principal mesuré.

Transformateurs immergés dans la silicone

L’IEEE C57.146-2005 donne des seuils propres à la silicone : 200 ppm de H₂, 100 de CH₄, 1 de C₂H₂, 30 de C₂H₄ et de C₂H₆, 3 000 de CO, 30 000 de CO₂ et 3 361 de gaz combustible total. En dessous, surveillance normale ; au-dessus, nouveau prélèvement pour confirmer et recherche du type de défaut. La calculatrice compare aussi les proportions des gaz combustibles aux quatre profils de gaz clés du guide (échauffement de la silicone et de la cellulose, décharges partielles et arc) et affiche le plus proche. Dans la silicone, toute quantité d’acétylène peut signaler un problème grave.

Exemple résolu

Transformateur de puissance avec H₂ 180, CH₄ 95, C₂H₆ 30, C₂H₄ 210, C₂H₂ 4 et CO 320 ppm.

• Gaz combustible total : 839 ppm. Condition 2 pour le total, l’hydrogène et l’acétylène, et condition 4 pour l’éthylène, qui dépasse 200 ppm : c’est le pire gaz qui décide.
• CEI 60599 : C₂H₂/C₂H₄ = 0,02 ; CH₄/H₂ = 0,53 ; C₂H₄/C₂H₆ = 7,0. L’hydrogène dépasse la valeur typique la plus haute (150 ppm), les rapports sont donc significatifs, mais ils ne correspondent à aucune ligne du tableau 1 ; le tableau 2 donne un défaut thermique.
• Triangle de Duval 1 : CH₄ 31 %, C₂H₄ 68 %, C₂H₂ 1 %, zone T3. Comme ce n’est ni PD, ni T1, ni T2, les triangles 4 et 5 ne s’appliquent pas.
• Pentagone 1 : zone T3. Pentagone 2 : T3-H, défaut thermique dans l’huile sans indice de carbonisation du papier.

Lecture : défaut thermique au-dessus de 700 °C, avec un peu d’acétylène qui impose une surveillance rapprochée. Le suspect habituel est une connexion interne défectueuse ou un courant de circulation dans le circuit magnétique ou la cuve.

Ce que cette calculatrice ne fait pas

Elle ne sait pas si l’échantillon a été bien prélevé, si l’appareil vient d’être remis en service après une réparation ou un dégazage, ni rien de son historique au-delà de l’analyse précédente qu’on lui donne. Les valeurs typiques de la CEI 60599 sont des plages observées sur de nombreux réseaux : il convient de calculer celles de son propre parc. Et toutes les méthodes graphiques renvoient une zone même sans génération réelle ; le diagnostic n’a de sens que lorsque les gaz et leur vitesse d’augmentation dépassent les niveaux typiques.

Avec quoi on mesure

L’analyse est réalisée par un laboratoire à partir d’un échantillon d’huile, ou par un analyseur d’huile diélectrique sur site. Pour les appareils critiques, l’alternative est la surveillance en ligne : des capteurs d’hydrogène et de gaz dissous qui signalent un changement de tendance entre deux prélèvements, au lieu d’attendre l’analyse semestrielle. Le traitement de l’huile — séchage et dégazage — est l’autre moitié du travail.