Calculateur IEC 61620 : tan δ et conductivité des isolants liquides
Calculez tan δ, conductivité, résistivité et permittivité des huiles isolantes à partir de G et C selon IEC 61620 : onde carrée, cellule d’essai, répétabilité.
Tan δ, conductivité et permittivité des isolants liquides selon la CEI 61620
Tous les calculs de la méthode de la norme EN / CEI 61620 : le facteur de dissipation à partir de la conductance et de la capacité mesurées, les courants de la méthode à onde carrée, la conversion entre tan δ, conductivité et résistivité, la cellule d’essai et les critères de propreté, de répétabilité et de reproductibilité.
Résultat
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Ce que fait ce calculateur
Il réalise tous les calculs prévus par la norme EN 61620 (CEI 61620:1998), Isolants liquides – Détermination du facteur de dissipation diélectrique par la mesure de la conductance et de la capacité – Méthode d’essai. Il comporte cinq onglets :
- Résultat G et C : tan δ, résistance de la cellule, permittivité relative, conductivité et résistivité, avec la vérification des plages de mesure.
- Onde carrée : capacité et conductance à partir des courants mesurés, avec la vérification du générateur, du champ dans la cellule et du temps de transit des ions.
- tan δ ↔ σ ↔ ρ : conversion entre les trois grandeurs et d’une fréquence à une autre.
- Cellule : capacité à vide et constante d’une cellule coaxiale ou à électrodes planes, avec l’écartement minimal des électrodes.
- Fidélité : répétabilité, reproductibilité, dérive de la cellule à deux minutes et tolérance de température.
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La méthode de la norme
Plutôt qu’un pont en alternatif, la norme applique à la cellule une tension en onde carrée de faible amplitude et de basse fréquence. Pendant la montée de la tension circule surtout un courant capacitif ; sur le palier stable, seul subsiste le courant de conduction, mesuré avant que les ions ne s’accumulent aux électrodes. On en tire les deux grandeurs de la cellule :
C = IC / (dV/dt) G = IR / V
puis le facteur de dissipation à la fréquence souhaitée, en général 50 ou 60 Hz :
tan δ = G / (C ω), avec ω = 2πf
Si l’on connaît la permittivité relative du liquide à la température de mesure, la conductivité vaut σ = ε0 εr G / C ; et comme εr = C / C0, la capacité de la cellule vide suffit : σ = ε0 G / C0. La résistivité en est l’inverse, ρ = 1/σ.
Ce que la norme juge approprié
| Paramètre | Valeur | Paragraphe |
|---|---|---|
| Amplitude de l’onde carrée | 10 V à 100 V | 5.3 |
| Fréquence de l’onde carrée | 0,1 Hz à 1 Hz | 5.3 |
| Temps de montée | 1 ms à 100 ms | 5.3 |
| Ondulation | < 1 % | 5.3 |
| Conductance mesurable (exemple) | 2 × 10⁻¹⁴ S à 2 × 10⁻⁶ S, erreur < 2 % | 5.4 |
| Capacité mesurable | 10 pF à 1 000 pF, incertitude < 1 % | 5.4 |
| Plage de tan δ | 10⁻⁶ à 1, jusqu’à 200 dans des conditions particulières | 1 |
| Écartement des électrodes | 4 mm typique, jamais moins de 1 mm | 5.1 |
| Température de la cellule | ±1 °C de la valeur fixée | 5.2 et 8.3 |
| Dérive admissible à 2 min | 2 % | 8.1.3 et 8.1.4 |
Le calculateur signale toute donnée hors de ces limites. L’annexe C ajoute deux vérifications physiques, également effectuées : le champ dans la cellule doit rester inférieur à 1 kV/cm pour que ni la dissociation renforcée par le champ ni l’injection d’ions ne faussent la mesure, et chaque demi-onde doit durer moins que le temps de transit d’un ion entre les électrodes, t = L² / (kV), la mobilité étant estimée par la loi de Stokes, k = e / (6πηa).
Exemple résolu
C’est celui que donne la norme au paragraphe 5.4. Une huile d’εr = 2 dans une cellule de 40 pF à vide (80 pF remplie), avec une conductance mesurée de 2 × 10⁻¹⁴ S :
- tan δ = 2 × 10⁻¹⁴ / (80 × 10⁻¹² × 2π × 50) = 0,8 × 10⁻⁶ à 50 Hz
- σ = 8,854 × 10⁻¹² × 2 × 10⁻¹⁴ / 40 × 10⁻¹² = 0,0044 pS/m
- ρ = 2,3 × 10¹⁴ Ω·m
Avec un générateur de ±30 V, 0,5 Hz et 10 ms de temps de montée, la pente est de 6 000 V/s : cette cellule donne un courant capacitif de 480 nA et un courant de conduction de seulement 0,6 pA. Avec 4 mm entre électrodes, le champ est de 0,075 kV/cm et un ion met environ 500 s à traverser, contre 1 s par demi-onde : la mesure est bien faite à l’équilibre.
Propreté et fidélité
Pour un liquide très isolant, les résultats dépendent davantage de la cellule que du liquide lui-même. La norme prévoit une procédure de nettoyage complète (annexe A, qui fait référence en cas de litige) et une procédure simplifiée pour les cellules réservées à un seul type de liquide (annexe B), ainsi qu’un critère de propreté : σ ou tan δ ne doit pas dériver de plus de 2 % deux minutes après le remplissage.
Deux résultats sont acceptables si |A − B| < α · Min(A, B) :
| Liquide neuf | Liquide usagé | |
|---|---|---|
| Répétabilité r (un laboratoire) | α = 0,2 | α = 0,1 |
| Reproductibilité R (deux laboratoires) | α = 0,35 | α = 0,20 |
À titre indicatif, lors des essais interlaboratoires sur une huile minérale neuve de tan δ = 2 × 10⁻⁶, la norme rapporte r = 0,4 × 10⁻⁶ et R = 1,2 × 10⁻⁶.
Ce que ce calculateur ne fait pas
Il ne mesure rien : il part des lectures de l’appareil. Il ne corrige pas tan δ ni σ en température, car la norme ne donne pas de loi de correction : elle indique seulement qu’elles peuvent varier jusqu’à 5 % par degré selon le liquide, d’où l’exigence de maintenir la cellule à ±1 °C. La conversion entre tan δ et conductivité n’est valable que si le liquide ne présente pas de pertes dipolaires notables à la fréquence considérée. La formule de la cellule coaxiale relève de l’électrostatique élémentaire — la norme ne traite que le cas plan — et aucune des deux ne tient compte des effets de bord. Enfin, il ne fixe pas de limites d’acceptation de l’huile : celles-ci relèvent des normes de spécification et de maintenance propres à chaque liquide.
Avec quoi mesurer
Le mesureur TAND220A applique exactement cette méthode : onde carrée de ±30 V à 0,5 Hz, cellule coaxiale en acier inoxydable d’environ 60 pF à vide et conductivité mesurable dès 0,01 pS/m. Pour la méthode classique au pont de la CEI 60247, avec tan δ et résistivité à température élevée, il existe le testeur HZJD-2Z. Et pour savoir quelle quantité d’eau contient l’huile, utilisez le calculateur d’humidité dans l’huile.
Questions fréquentes
- Quelle différence entre la CEI 61620 et la CEI 60247 ?
- La CEI 60247 mesure tan δ au pont en alternatif et la résistivité en continu, sous des champs allant jusqu’à 250 V/mm pendant une minute. La CEI 61620 mesure simultanément la conductance et la capacité avec une onde carrée de basse tension et de basse fréquence, sans écarter le liquide de l’équilibre thermodynamique. Elle atteint ainsi des tan δ de 10⁻⁶ à fréquence industrielle et convient aux liquides très isolants, même à température ambiante. Elle ne remplace pas la CEI 60247 : elle la complète.
- Pourquoi tan δ et conductivité donnent-elles la même information ?
- Parce que, dans un liquide sans pertes dipolaires — le cas de presque tous les liquides électrotechniques —, le schéma équivalent est une capacité en parallèle avec une résistance, et tan δ = σ / (ε0 εr ω). Si l’on connaît la permittivité, l’une se déduit de l’autre à n’importe quelle fréquence. Une tan δ de 10⁻⁶ à 50 Hz dans un liquide d’εr = 2 correspond à environ 0,006 pS/m.
- Quand deux mesures de tan δ sont-elles acceptables ?
- Lorsque leur écart est inférieur à α fois la plus faible des deux valeurs. Dans un même laboratoire (répétabilité), α vaut 0,2 pour un liquide neuf et 0,1 pour un liquide usagé ; entre deux laboratoires (reproductibilité), 0,35 et 0,20. Ces critères s’appliquent aux mesures à température ambiante.
- Comment savoir si la cellule est suffisamment propre ?
- Avec une cellule propre et une température constante, la conductivité ne varie pas dans le temps. La norme admet une dérive jusqu’à 2 % deux minutes après le remplissage de la cellule ; la première lecture est alors retenue. Si la dérive est plus forte, on nettoie à nouveau, on mesure un second échantillon et on consigne la valeur la plus faible.