Générateurs

Guide pratique pour identifier l’origine du défaut dans les moteurs et générateurs moyenne et haute tension.

Résumé. Détecter des décharges partielles (DP) est relativement simple ; savoir où se trouve le défaut et de quel type il est, beaucoup moins. Cet article explique la méthode de localisation géométrique que permet le moniteur de machines tournantes (RMM) avec le module RTD-PD : comment les capteurs se répartissent le long de l’enroulement, ce qu’apporte chacun d’eux, comment lire les motifs de phase et la polarité, et comment confirmer le diagnostic grâce à la tendance temporelle. Deux cas d’étude réels de Dynamic Ratings viennent l’illustrer ; l’un d’eux a évité un arrêt fortuit et permis d’économiser environ 70 000 USD.

Ce que l’on localise, et pourquoi

Les décharges partielles sont de petites décharges électriques qui ne court-circuitent pas complètement l’isolation entre conducteurs. Elles prennent généralement naissance dans des vacuoles (voids), des fissures ou des inclusions au sein d’un diélectrique solide, ou aux interfaces conducteur-diélectrique. Leur niveau croît progressivement à mesure que l’isolation se dégrade : la surveillance continue permet donc de détecter la détérioration avant qu’elle ne provoque une défaillance et de programmer un arrêt planifié, bien plus économique qu’un arrêt fortuit.

Localiser le défaut, c’est répondre à trois questions à partir des données de DP :

• Où se situe le défaut ? Quelle zone de l’enroulement, quelle encoche, quelle phase.
• De quel type est-il ? Vacuole interne, enroulement desserré ou problème en sortie d’encoche.
• Comment évolue-t-il ? L’activité augmente-t-elle, se stabilise-t-elle, répond-elle à une réparation ?

Aucune donnée isolée ne suffit. La localisation résulte du croisement de la position physique des capteurs, du motif de phase, de la polarité et de la corrélation avec les conditions d’exploitation. Pour revoir les fondamentaux, nous consacrons des articles aux types de décharges partielles et aux méthodes de détection des décharges partielles.

Comment localiser l’origine, étape par étape

Exploiter la répartition spatiale des capteurs

La clé de la localisation est que des capteurs différents couvrent des zones différentes de l’enroulement. En les combinant, on circonscrit la région concernée :

• Condensateurs de couplage (Coupling Capacitors, CC) : installés aux bornes de ligne. En raison de l’atténuation du signal, ils ne détectent les DP que dans environ 10 à 15 % de l’enroulement (la partie la plus proche de la borne). Les défauts profonds leur échappent.
• RTD utilisées comme capteurs de DP : situées à l’intérieur des encoches et réparties le long de l’enroulement. Elles agissent « comme des jumelles » et permettent de voir une bien plus grande partie de l’enroulement que les CC seuls.
• Coupleurs d’encoche (Stator Slot Couplers, SSC) : leur « zone de sensibilité » est limitée et ils ne détectent les DP que dans l’encoche précise où ils sont installés.

Comme on ne sait pas à l’avance, au moment de l’installation, quel capteur captera le plus de DP, il est recommandé d’utiliser les RTD et les condensateurs de couplage de façon complémentaire. En comparant quel capteur — et à quelle position — enregistre la plus forte amplitude, on identifie la région affectée.

Repérer le capteur numéroté qui présente le plus d’activité

L’étape pratique consiste à examiner l’activité voie par voie. Chaque CC et chaque RTD a une position physique connue ; le capteur présentant le Qmax le plus élevé (amplitude maximale de DP) désigne directement la zone de l’enroulement ou l’encoche où le problème se concentre. L’évolution mensuelle de chaque voie montre en outre quel capteur « décroche » avec le temps.

Interpréter le motif de phase et la polarité

Les graphiques de phase (PD plots, angle de 0 à 360°) révèlent le type de défaut :

• Polarités équilibrées + corrélation avec les paramètres d’exploitation → suggèrent des défauts de type vacuole (void) dans la structure de l’isolation.
• Des motifs différents peuvent indiquer des enroulements desserrés ou des problèmes aux points de sortie d’encoche (slot exit).

Une nuance de symétrie s’avère très utile pour localiser en profondeur : les RTD occupent une position symétrique entre les barres du stator, tandis que le SSC se trouve en position asymétrique. De plus, la DP de la barre inférieure est masquée par la barre supérieure : le SSC est donc moins sensible aux décharges de la barre inférieure. Comparer les deux capteurs aide à déterminer si le défaut se situe dans la barre supérieure ou dans la barre inférieure de l’encoche.

Corréler avec l’exploitation et avec la tendance temporelle

• Surveiller pendant un démarrage du moteur permet de vérifier si l’enroulement est serré : si la DP n’est pas affectée par les efforts du démarrage, l’enroulement est ferme et l’origine est plus probablement une vacuole interne qu’un jeu mécanique.
• Suivre la tendance dans le temps (mois ou années) confirme si l’activité augmente et si une réparation a eu un effet. Si la DP ne baisse pas après une intervention, l’origine n’était pas là où l’on est intervenu.

Procédure résumée

1. Installer des capteurs complémentaires : RTD dans les encoches et condensateurs de couplage aux bornes, afin de couvrir tout l’enroulement.
2. Examiner l’amplitude de DP par capteur numéroté pour circonscrire la zone physique du défaut.
3. Analyser les motifs de phase et la polarité afin de classer le type de défaut (vacuole, jeu, sortie d’encoche).
4. Utiliser la symétrie RTD/SSC et l’effet d’écran entre barres pour distinguer barre supérieure et barre inférieure.
5. Corréler avec les paramètres d’exploitation (par exemple un démarrage) et avec la tendance historique pour confirmer l’origine et valider les réparations.

Cas réel : moteur de 13,8 kV

Un moteur de grande puissance présentait, lors de mesures périodiques, une activité de DP importante et croissante sur plusieurs années. Les niveaux les plus élevés ont été relevés sur les RTD n° 3, 4 et 6. Compte tenu des polarités équilibrées et de la corrélation avec les paramètres d’exploitation, Dynamic Ratings a conclu à l’existence de défauts de type vacuole (void) dans la structure de l’isolation. La DP ayant été surveillée pendant un démarrage sans effet indésirable, on en a déduit que l’enroulement était serré.

Après des essais périodiques, un fournisseur a conclu que la plupart des défauts provenaient d’enroulements desserrés ou de points de sortie d’encoche. Le client a demandé un second avis, compte tenu de l’importance économique de la machine et du long délai de remplacement. Lors de l’arrêt de mars 2010, une inspection externe a trouvé l’enroulement serré et sans indice de DP en sortie d’encoche ; le consultant a appliqué de la peinture de gradient supplémentaire en espérant réduire l’activité.

Dynamic Ratings a été appelé. Des données ont été recueillies et analysées avec le moniteur de machines tournantes : après l’arrêt, l’activité de DP n’avait pas diminué et continuait d’augmenter, ce qui a démontré que la peinture de gradient n’avait eu aucun effet et, par conséquent, que l’origine ne se situait pas en sortie d’encoche mais à l’intérieur de l’isolation (vacuoles), exactement comme l’indiquaient les motifs de phase.

Résultat. La surveillance continue a permis de prendre la bonne décision sur la machine, et le client a documenté une économie estimée à 70 000 USD, soit la différence entre un arrêt planifié et un arrêt fortuit. La leçon en matière de localisation est claire : les capteurs de plus forte amplitude (RTD 3, 4 et 6) ont désigné la zone, et le motif de phase a désigné le type de défaut (vacuole), corrigeant le diagnostic initial d’« enroulement desserré ».

Cas complémentaire : pourquoi combiner les capteurs améliore la localisation

Sur un générateur de 300 MW et 20 kV équipé de SSC, des RTD ont été installées dans la même encoche, directement sous le SSC, entre la barre supérieure et la barre inférieure. Les mesures simultanées ont montré que les deux types de capteur présentent une sensibilité quasi identique et des motifs de DP pratiquement semblables ; les écarts mineurs s’expliquent par la position symétrique de la RTD face à celle, asymétrique, du SSC.

La distribution d’amplitude par capteur démontre l’intérêt de les combiner : selon la mesure, ce sont parfois les condensateurs de couplage qui ressortent, parfois les RTD. Comme les CC ne « voient » que les 10 à 15 % de l’enroulement les plus proches de la borne, les RTD réparties dans les encoches permettent de localiser des défauts profonds que les CC ne détecteraient pas.

Conclusion en matière de localisation : RTD et condensateurs de couplage sont complémentaires, et non exclusifs. Utiliser les deux offre une vue plus profonde et sans lacune de l’activité de DP, nécessaire pour situer le défaut dans la bonne zone de l’enroulement et pour ne pas se tromper sur sa nature.

Questions fréquentes

Peut-on localiser une décharge partielle avec les seuls condensateurs de couplage ?

Seulement en partie. Les condensateurs de couplage sont installés aux bornes de ligne et l’atténuation limite leur portée aux 10 à 15 % de l’enroulement les plus proches de la borne. Ils servent à détecter l’activité, mais un défaut situé au cœur de l’enroulement peut leur échapper. Pour le localiser, il faut ajouter des capteurs répartis dans les encoches.

Pourquoi utiliser les RTD déjà installées comme capteurs de décharges partielles ?

Parce qu’elles se trouvent à l’intérieur des encoches et sont réparties le long de l’enroulement, exactement là où il faut regarder. Avec le module RTD-PD du RMM, les RTD de température existantes sont réutilisées comme capteurs de DP, ce qui étend considérablement la couverture de l’enroulement sans refaire le bobinage ni installer un coupleur d’encoche à chaque position.

Comment distinguer une vacuole interne d’un enroulement desserré ?

Par le motif de phase et la réponse à l’exploitation. Des polarités équilibrées et une bonne corrélation avec les paramètres de fonctionnement orientent vers des vacuoles internes dans l’isolation. Un enroulement desserré, en revanche, est sensible aux efforts mécaniques : si l’activité de DP n’est pas affectée pendant la surveillance d’un démarrage, l’enroulement est ferme et l’origine est plus probablement une vacuole.

Quelle différence entre une RTD et un coupleur d’encoche (SSC) ?

La sensibilité est quasi identique et les motifs coïncident pratiquement, comme le montre la figure 4. La différence pertinente est géométrique : la RTD occupe une position symétrique entre les barres et le SSC une position asymétrique, et la barre supérieure masque partiellement la DP de la barre inférieure vis-à-vis du SSC. Comparer les deux aide à décider si le défaut se situe dans la barre supérieure ou dans la barre inférieure.

Quand privilégier la surveillance continue plutôt que des mesures périodiques ?

Lorsque la machine est critique, que son délai de remplacement est long ou que le coût d’un arrêt fortuit est élevé. Le cas du moteur de 13,8 kV l’illustre : c’est précisément la tendance continue après l’arrêt qui a démontré que la réparation n’avait pas traité la véritable origine du problème, ce qu’une mesure ponctuelle n’aurait pas révélé.

Équipements et conseil

Le moniteur de machines tournantes (RMM) assure la surveillance continue des décharges partielles et enregistre et corrèle en outre la dynamique de fonctionnement du moteur ou du générateur, y compris pour les entraînements à variateur de fréquence (VFD). Vous pouvez également consulter le reste de nos équipements de mesure des décharges partielles ainsi que notre article plus général sur l’analyse des décharges partielles.

Vous avez un moteur ou un générateur dont l’activité de DP augmente et vous devez savoir où se trouve le défaut ? Contactez nos ingénieurs : nous vous conseillerons sur l’instrumentation et le plan de mesure les plus adaptés.

Sources

Dynamic Ratings — « Partial Discharge Monitoring Saves 13.8 kV Motor » et « Use of Stator Slot Couplers and RTDs with Coupling Capacitors for Thorough Partial Discharge Activity Sensing ». Images reproduites de ces cas d’étude.