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

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, 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, qui donne l’eau maximale recommandée selon la classe de tension et la température moyenne de l’huile, ainsi que les limites de maintien en service des autres essais.

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 kelvins et Ws en mg/kg. C’est la formule 1 de l’IEEE C57.106-2002 (de Bruce, Christie et Griffen) et la courbe de la figure 1 de la CEI 60422:2013, connue comme courbe d’Oommen. 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 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

La CEI 60422 est le guide de surveillance et de maintenance des huiles minérales dans les matériels électriques. Son tableau 5, dans l’édition 2013, donne les limites bon, acceptable et médiocre par catégorie de matériel, et pas seulement par tension : les transformateurs de mesure et de protection (D et E) ont leurs propres limites pour l’eau, le facteur de dissipation et la résistivité.

Dans chaque case : bon · acceptable · médiocre. Source : CEI 60422:2013, tableaux 2 et 5. Catégories : O, transformateurs et réactances de 400 kV et plus ; A, de plus de 170 kV et moins de 400 kV, ou de toute tension lorsque la continuité de service est vitale ; B, de 72,5 à 170 kV ; C, jusqu’à 72,5 kV et transformateurs de traction ; D et E, transformateurs de mesure et de protection de plus de 170 kV et jusqu’à 170 kV. La calculatrice n’inclut pas les compartiments de commutation des changeurs de prises (F) ni les disjoncteurs et l’appareillage (G).

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.

Trois précautions. La limite d’eau est donnée à la température de service et la norme demande de la lire toujours avec la tension de claquage ; en dessous de 40 °C l’équilibre papier–huile n’est pas fiable, et la calculatrice le signale. Pour comparer des échantillons prélevés à des températures différentes, l’annexe A propose de normaliser l’eau à 20 °C avec f = 2,24·e^(−0,04·ts) : 10 mg/kg mesurés à 40 °C équivalent à 4,5. Cela sert au suivi de tendance, pas à la comparaison avec le tableau, et seulement avec ts de 20 °C ou plus. Enfin, la norme dispose d’une édition 5.0 de 2024 qui a révisé les limites et fusionné la catégorie O dans la A ; pour un critère contractuel, il faut vérifier l’édition en vigueur.

La même norme reprend, dans son tableau A.1, la grille de l’IEEE pour lire la saturation de l’huile comme état du papier : en dessous de 5 %, isolation cellulosique sèche ; entre 5 % et 20 %, modérément humide ; entre 20 % et 30 %, humide ; au-delà de 30 %, extrêmement humide. Elle ne vaut que si l’huile et le papier sont proches de l’équilibre.

Évaluation selon l’IEEE C57.106

L’IEEE C57.106 est le guide de l’IEEE pour la réception et la maintenance de l’huile isolante, la référence habituelle en Amérique du Nord. Son tableau 5 ne donne pas l’eau à une température fixe, mais le maximum recommandé selon la température moyenne de l’huile, déduit d’une saturation constante pour chaque classe de tension :

Eau maximale en mg/kg. Source : IEEE C57.106-2002, tableau 5, pour les transformateurs sous coussin de gaz, scellés ou à conservateur à membrane ; selon le guide, applicable aussi aux appareils respirants. La calculatrice interpole entre 50, 60 et 70 °C ; hors de cet intervalle, elle extrapole avec la saturation de la classe et le signale.

La température moyenne n’est pas celle qu’indique le thermomètre. Le guide demande de prélever après 48 heures de charge et de température stables et, en refroidissement ONAN ou ONAF, de retirer 10 °C à la température de l’huile en partie haute ; si l’indicateur est douteux, d’ajouter 5 °C à la température de l’échantillon. L’onglet IEEE applique cette correction.

Pour les autres essais, le tableau 7 donne des limites de maintien en service par classe de tension : claquage selon l’ASTM D1816 d’au moins 23, 28 et 30 kV avec 1 mm ou 40, 47 et 50 kV avec 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 ; acidité maximale de 0,20, 0,15 et 0,10 mg KOH/g. Le claquage ASTM D1816 n’est pas comparable à celui de la CEI 60156 à 2,5 mm : une valeur ne se transpose pas d’un onglet à l’autre. Si le claquage ou l’eau sont hors limite, le guide propose de reconditionner l’huile ; si ce sont la tension interfaciale, le facteur de puissance ou l’acidité, de la régénérer. Une édition 2015 existe : pour un critère contractuel, vérifiez l’édition en vigueur.

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 % : humidité modérée.
• Solubilité à 20 °C : 55,5 mg/kg → saturation 38,8 % : si l’appareil refroidit, huile très humide.
• 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 : 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 et une température moyenne de 57 °C, le maximum est de 11,4 mg/kg pour 230 kV et plus et de 17,6 mg/kg entre 69 et 230 kV : dans ces classes l’eau n’est pas conforme ; jusqu’à 69 kV le maximum est de 32,6 mg/kg et elle l’est.

Ce que cette calculatrice ne fait pas

Elle n’indique pas la quantité d’eau présente dans le papier, là où se trouve la majeure partie et ce qu’il faut sécher. 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. Elle ne corrige pas non plus la tension de claquage en fonction de la température : l’article du CIGRE la révise de 57 à 78 kV à 57 °C à partir de la saturation, mais avec une relation entre saturation et claquage que l’article ne détaille pas. Elle ne couvre ni les esters ni les huiles silicones, dont la solubilité et les limites sont différentes, ni les catégories des changeurs de prises et des disjoncteurs de la CEI 60422, et elle 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.