Calculatrice d'humidité dans l'huile : ppm, saturation relative, CEI 60422:2024 et IEEE C57.106-2015

Ce que fait cette calculatrice

Elle convertit la teneur en eau d’une huile minérale entre milligrammes par kilogramme (ce que donne un Karl Fischer) et saturation relative en pourcentage (ce que donne une sonde capacitive en ligne), à la température indiquée. Elle calcule deux choses qui ne figurent presque jamais dans le rapport : la solubilité de l’huile à cette température et la température de saturation, en dessous de laquelle cette même eau commence à apparaître sous forme d’eau libre. Et elle évalue l’huile selon la norme choisie, dans deux onglets : la CEI 60422:2024, qui la classe comme bonne, acceptable ou médiocre selon la catégorie du matériel, pour l’eau et cinq autres essais de routine ; et l’IEEE C57.106-2015, qui donne les limites de l’eau et des autres essais par classe de tension pour l’huile en service, neuve ou reconditionnée et pour les changeurs de prises, et estime avec son annexe B la baisse du claquage quand l’huile refroidit.

Pourquoi les ppm sont trompeurs

L’eau dissoute dans l’huile n’importe pas par sa quantité absolue, mais par sa proximité avec la saturation. Et la solubilité dépend très fortement de la température. Pour une huile minérale neuve :

log₁₀(Ws) = 7,0895 − 1567 / T

avec T en kelvin et Ws en mg/kg. C’est la formule 1 de l’IEEE C57.106-2002 (de Bruce, Christie et Griffen), connue comme courbe d’Oommen, et l’une des courbes de la littérature que reprend la figure 1 de la CEI 60422:2024 (A = 7,09 ; B = 1567). Cette figure montre combien elles diffèrent : leur moyenne est A = 7,11 et B = 1585, et la norme n’en fixe aucune. Elle donne environ 55 mg/kg à 20 °C, 243 à 60 °C et 449 à 80 °C.

La conséquence pratique : une analyse à 25 mg/kg réalisée sur un transformateur chaud semble rassurante —10 % de saturation à 60 °C—, mais cette même eau, lorsque la machine refroidit à 20 °C, se trouve à 45 % de saturation. C’est pourquoi un échantillon sans relevé de la température de l’huile n’est pas d’une grande utilité, et c’est pourquoi les sondes en ligne donnent une saturation relative et non des ppm.

La formule vaut pour une huile minérale neuve. Une huile vieillie ou oxydée dissout davantage d’eau, et la CEI 60422:2024 avertit que dans les huiles très oxydées l’écart peut être important et qu’il n’existe pas de formule universelle. En partant des mg/kg d’un Karl Fischer, la saturation réelle serait un peu inférieure à celle calculée : le résultat reste du côté de la sécurité. En partant de la saturation d’une sonde, c’est l’inverse : les mg/kg réels seraient un peu plus élevés et l’évaluation en mg/kg reste du côté optimiste.

La température de saturation

C’est la valeur la plus utile de cette calculatrice et celle que l’on calcule rarement. À partir de la teneur en eau mesurée, elle indique à quelle température cette huile atteindrait 100 % de saturation. En dessous, de l’eau libre peut apparaître ; c’est elle qui fait réellement chuter la rigidité diélectrique et qui provoque des défaillances lors des démarrages à froid ou après un arrêt prolongé en hiver.

Un transformateur à 40 mg/kg sature vers 12 °C. S’il se trouve dans un local dont la température descend en dessous, le risque n’a rien de théorique.

Classement selon la CEI 60422:2024

La CEI 60422:2024 est le guide de surveillance et de maintenance des huiles minérales isolantes en service dans les matériels électriques. La calculatrice applique l’édition 5.0 de 2024, qui donne des limites bon, acceptable et médiocre par catégorie de matériel, selon la tension la plus élevée pour le matériel (Um) et avec un tableau par type de matériel :

• Transformateurs et réactances (tableau 5) : A, plus de 170 kV ou toute tension si la continuité de service est vitale ; B, plus de 72,5 kV jusqu’à 170 kV ; C, jusqu’à 72,5 kV (distribution) et traction. Eau bonne en dessous de 15, 20 et 30 mg/kg et médiocre au-dessus de 20, 30 et 40 ; tension de claquage bonne au-dessus de 60, 50 et 40 kV et médiocre en dessous de 50, 40 et 30 ; en plus, acidité, facteur de dissipation et résistivité à 90 °C, et tension interfaciale, différente pour les huiles inhibées et non inhibées.
• Transformateurs de mesure et de protection (tableau 7) : D, plus de 170 kV, et E, jusqu’à 170 kV. Seulement l’eau (seuils à 20 et 30 mg/kg, et à 30 et 40) et le facteur de dissipation (0,01 et 0,10, et 0,10 et 0,30).
• Commutateurs des changeurs de prises en charge (tableau 6), catégorie F : eau bonne en dessous de 15 mg/kg et médiocre au-dessus de 40 en étoile ou de 30 en triangle ou extrémité de ligne ; la tension de claquage est seulement bonne (au moins 30 ou 40 kV) ou médiocre.
• Disjoncteurs et appareillage (tableau 8) : G, plus de 72,5 kV, et H, jusqu’à 72,5 kV. Eau, tension de claquage et acidité.
• Traversées (tableau 9) : K, plus de 170 kV, et L, jusqu’à 170 kV. Eau, tension de claquage et facteur de dissipation.

Les tableaux 6 à 9 ne couvrent pas tous les essais : pour le reste, ils renvoient à la catégorie appropriée du tableau 5, et la calculatrice les marque « Voir tableau 5 ». Par rapport à l’édition 2013, la catégorie O est fondue dans la A, le facteur de dissipation des transformateurs de mesure de plus de 170 kV passe à 0,01 et 0,10, et les changeurs de prises, les disjoncteurs et les traversées entrent avec leurs propres tableaux.

Signification de chaque état : bon, il suffit de poursuivre l’échantillonnage et les essais à la fréquence normale ; acceptable, la détérioration est déjà détectable et il convient d’effectuer les essais plus souvent ; médiocre, il y a une détérioration anormale et il faut envisager une action corrective, comme le séchage, le reconditionnement ou la régénération de l’huile. La calculatrice ne classe que les essais renseignés et résume avec le plus défavorable d’entre eux. Une valeur située exactement à la limite d’un intervalle est considérée comme acceptable.

Quatre précautions. L’eau est donnée à la température de service, se lit toujours avec la tension de claquage, et la norme demande de ne pas agir sur un seul résultat mais de refaire le prélèvement. En dessous de 35 °C, l’eau diffuse trop lentement pour approcher l’équilibre avec le papier, et la calculatrice le signale ; avec une huile très chaude dans des transformateurs très chargés, l’échange rapide d’humidité peut donner des valeurs plus élevées. Pour suivre la tendance d’un même appareil, l’annexe C, informative et présentée comme pratique historique, normalise l’eau à 20 °C avec f = 2,24·e^(−0,04·ts) : 10 mg/kg mesurés à 40 °C équivalent à 4,5. Elle ne vaut qu’avec un prélèvement à 35 °C ou plus et ne se compare pas aux tableaux. Enfin, l’estimation de l’humidité du papier sort du domaine de la norme.

Pour la saturation relative, le tableau B.1 donne un guide pour la mesure en ligne à la température de service : en dessous de 10 %, transformateur sec ; entre 10 % et 20 %, humidité élevée par rapport à un appareil neuf, avec un risque de baisse de la tension de claquage lors d’un démarrage à froid ou d’un refroidissement après une forte charge ; et au-dessus de 20 %, humide, avec une tension de claquage réduite, et il convient d’envisager le séchage de l’isolation solide. La norme le donne pour un suivi d’au moins un mois ; la calculatrice l’applique à la saturation à la température de l’huile, et avec un seul échantillon il n’est qu’indicatif.

Évaluation selon l’IEEE C57.106-2015

L’IEEE C57.106-2015 est le guide de l’IEEE pour la réception et la maintenance de l’huile minérale isolante, la référence habituelle en Amérique du Nord. La calculatrice applique l’édition 2015, qui a révisé celle de 2006 et changé le critère de l’eau : il n’y a plus de maximum selon la température moyenne de l’huile, comme dans le tableau 5 de l’édition 2002, mais un maximum fixe en mg/kg par classe de tension, et l’estimation de l’humidité du papier disparaît.

L’onglet permet de choisir le tableau selon l’état de l’huile :

• Tableau 3, huile en service : eau maximale de 35, 25 et 20 mg/kg jusqu’à 69 kV, de 69 à 230 kV et à partir de 230 kV ; claquage ASTM D1816 d’au moins 23, 28 et 30 kV à 1 mm ou 40, 47 et 50 kV à 2 mm ; facteur de puissance maximal de 0,5 % à 25 °C et de 5 % à 100 °C ; tension interfaciale minimale de 25, 30 et 32 mN/m ; et acidité maximale de 0,20, 0,15 et 0,10 mg KOH/g. Le claquage ASTM D877 (25 kV) ne vaut que pour les réactances et les régulateurs, pas pour les transformateurs.
• Tableau 4, huile reconditionnée ou régénérée, après remplissage et avant mise sous tension : eau de 35, 20 et 15 mg/kg (moins de 10 souhaitable à partir de 230 kV), claquage de 25, 30 et 35 kV à 1 mm ou 45, 55 et 60 kV à 2 mm, tension interfaciale de 35 mN/m et acidité de 0,05 mg KOH/g.
• Tableau 2, huile neuve dans un matériel neuf ou après remplissage, avant mise sous tension : eau de 20, 10 et 10 mg/kg, facteur de puissance de 0,05 % à 25 °C, tension interfaciale de 38 mN/m et acidité de 0,03 mg KOH/g.
• Tableaux 6 et 7, changeurs de prises : huile neuve avant mise sous tension et huile en service, avec des limites propres pour le côté neutre et pour le côté ligne jusqu’à 69 kV et au-delà de 69 kV (en service, eau de 40, 30 et 25 mg/kg).

Pour l’huile en service, la calculatrice applique le classement du paragraphe 4.2.1 : classe I si tout est conforme ; classe II si seuls le claquage ou l’eau sont non conformes, auquel cas le guide propose de la reconditionner par filtration ou déshydratation sous vide ; et classe III si autre chose est non conforme, auquel cas il propose de la régénérer à la terre de Fuller ou de la remplacer, et de rétablir l’inhibiteur. Le claquage ASTM D1816 n’est pas comparable à celui de la CEI 60156:2025 à 2,5 mm : une valeur ne se reporte pas d’un onglet à l’autre.

La norme avertit dans chaque tableau que ces mg/kg peuvent être excessifs à basse température, car la saturation augmente quand l’huile refroidit. Pour cela, son annexe B (informative, pour l’huile neuve) relie la saturation au claquage ASTM D1816 à 2 mm : elle calcule la saturation avec Ws = 10^(7,42 − 1670/(273,16 + t)) et le claquage relatif avec 0,95·e^(−(%RS/63,15)²) + 0,05. Dans l’exemple de la norme, 15 mg/kg représentent 18 % de saturation à 30 °C et 74 % à 0 °C, et un claquage de 50 kV mesuré à 30 °C tomberait à environ 15 kV lors d’une mise sous tension à 0 °C. L’onglet IEEE fait ce calcul avec la seconde température ; pour la mise sous tension à froid, la norme renvoie à l’IEEE C57.93-2019.

Exemple résolu

Il s’agit du cas en service publié par le CIGRE (tableau 3 du même article) : transformateur de 15 ans, échantillon à 21,5 mg/kg prélevé avec l’huile à 57 °C et une tension de claquage de 57 kV. Ce sont les valeurs que la calculatrice affiche à l’ouverture.

• Solubilité à 57 °C : 220 mg/kg → saturation 9,8 % : sec selon le tableau B.1 de la CEI 60422:2024 (moins de 10 %), mais à la limite.
• Solubilité à 20 °C : 55,5 mg/kg → saturation 38,8 % : si l’appareil refroidit, bien au-dessus des 20 % du tableau B.1.
• Température de saturation : −1,0 °C.

Le CIGRE donne 38,7 % et 9,7 % ; l’écart n’est dû qu’à l’arrondi. Sa conclusion est celle que montre l’outil : mesurée au laboratoire à 20 °C, l’huile paraît beaucoup plus humide qu’elle ne l’est dans la machine.

Avec le classement CEI 60422:2024 : sur un transformateur de catégorie A, les 21,5 mg/kg sont médiocres (le seuil est à 20) et les 57 kV, acceptables ; en catégorie B, l’eau passe à acceptable et le claquage à bon ; en C, les deux sont bons. La même huile change d’état selon la machine dans laquelle elle se trouve. Avec l’IEEE C57.106-2015 et l’huile en service (tableau 3), le maximum à partir de 230 kV est de 20 mg/kg : l’eau n’est pas conforme et, si c’est la seule non-conformité, l’huile est de classe II et doit être reconditionnée. Entre 69 et 230 kV (25 mg/kg) et jusqu’à 69 kV (35 mg/kg), elle l’est. Selon l’annexe B, la saturation passe de 9,3 % à 57 °C à 41 % à 20 °C, et le claquage tomberait à environ 69 % de la valeur mesurée si l’appareil refroidit.

Ce que cette calculatrice ne fait pas

Elle ne dit pas combien d’eau contient le papier, qui en concentre la plus grande partie et qu’il faut sécher ; la CEI 60422:2024 laisse cette estimation hors de son domaine. L’équilibre entre papier et huile met des jours ou des semaines à s’établir et dépend de la température et de l’historique de charge : estimer l’humidité du papier à partir d’un seul échantillon d’huile est donc peu fiable. La correction de la tension de claquage en fonction de la température de l’onglet IEEE est celle de l’annexe B de l’IEEE C57.106-2015, informative et obtenue avec de l’huile neuve : elle montre la tendance et ne remplace pas un essai à cette température. Elle ne couvre ni les esters ni les huiles silicones, dont la solubilité et les limites sont différentes, et ne remplace pas le rapport du laboratoire.

Avec quoi la mesurer

La teneur en eau se détermine par titrage Karl Fischer en laboratoire, et la saturation relative au moyen de sondes capacitives installées sur le circuit d’huile, ce qui permet de suivre l’évolution plutôt que d’avoir une photo figée. L’analyseur d’huile diélectrique et les autres équipements de mesure sur huile couvrent la partie essais ; le séchage et le dégazage, la partie traitement. Si l’huile est humide, il convient aussi de consulter l’analyse des gaz dissous : la dégradation du papier laisse une trace dans le CO et le CO₂.