Isolation du transformateur immergé dans l'huile de 750 kVA : conception et tests

 

A Transformateur de distribution immergé dans l'huile de 750 kVAest une machine compacte : un réservoir, un noyau et trois enroulements qui doivent transporter le courant nominal pendant des décennies. Le composant qui limite sa durée de vie est presque toujours l’isolation. Le cuivre, l'acier et le réservoir peuvent durer plus longtemps que l'unité, mais le papier de cellulose et l'huile qui entourent les conducteurs vieillissent continuellement sous l'effet de la chaleur, de l'humidité et des contraintes électriques.

 

Les transformateurs de distribution sont normalement conçus pour une durée de vie de 20 à 30 ans. Ce chiffre provient du comportement de vieillissement thermique de l'isolation en papier, modélisé dans le guide de chargement CEI 60076-7 en fonction de la température du point chaud de l'enroulement-et de la teneur en humidité. Lorsqu'un acheteur compare les offres, les différences qui comptent sont rarement la valeur nominale en kVA -, ce sont les matériaux d'isolation, la marge d'échauffement, le contrôle de l'humidité pendant le traitement et les tests qui prouvent que l'unité a été construite et séchée correctement.

 

L'usine GNEE présente l'assemblage professionnel de transformateurs de distribution de 750 kVA.

 

 

Le système d'isolation d'un transformateur de distribution immergé dans un liquide- combine un diélectrique liquide (l'huile) avec un diélectrique solide (papier, carton pressé et autres produits cellulosiques). L'huile effectue deux tâches à la fois - isolation électrique et refroidissement - tandis que les matériaux solides fournissent un support mécanique et une barrière primaire entre les conducteurs à différents potentiels.

 

Composant	Matériel	Fonction	Propriétés typiques / remarques
Huile isolante	Huile minérale naphténique (IEC 60296)	Diélectrique liquide entre phases et à la terre ; fluide de refroidissement	La tension de claquage de l'huile neuve traitée est généralement de 60 kV ou plus sur un espace de 2,5 mm (acceptation selon la norme CEI 60296 et les spécifications d'achat) ; teneur en eau maintenue faible pendant le traitement
Enveloppement du conducteur	Papier Kraft thermiquement amélioré	Tourner-pour-tourner et superposer-pour-couche d'isolation sur les enroulements	Rigidité diélectrique élevée, faible absorption d'humidité ; la valorisation thermique ralentit le vieillissement à des températures plus élevées
Des barrières solides	Carton pré-comprimé	Isolation principale entre les enroulements HT et BT et à la terre	Stabilité dimensionnelle et résistance mécanique sous pression de serrage ; doit être entièrement imprégné d'huile
Isolation en couche	Bandes de papier ou de carton pressé entre les couches d'enroulement	Répartit uniformément la contrainte de tension entre les couches -	L'épaisseur et le nombre de couches suivent le niveau d'isolation de l'unité
Isolation des câbles et des bornes	Fils enveloppés de papier-avec barrières de fuite	Transporte les connexions d'enroulement de la bobine à la bague en toute sécurité	Ligne de fuite et espace libre dimensionnés pour la tension du système
Bagues	Boîtiers en porcelaine ou en composite, isolation en papier-rempli d'huile ou en résine-imprégnée (RIP)	Fait passer les conducteurs HT et BT à travers la paroi du réservoir	Ligne de fuite extérieure adaptée à la classe de pollution du site
Imprégnation	Imprégnation d'huile sous vide	Remplit les vides dans l'isolation solide	Les vides non comblés deviennent des sites de décharge partielle

Les détails du traitement comptent autant que le choix des matériaux. L'huile neuve est dégazée et déshydratée sous vide avant injection ; l'ensemble enroulement et noyau est séché afin que l'humidité résiduelle dans le papier reste faible. L'eau dans l'huile est surveillée conformément aux directives de la CEI 60422 - un objectif de traitement typique pour une unité de classe de distribution-est inférieur à environ 20 mg/kg dans l'huile neuve. L'humidité réduit la tension de claquage de l'huile et accélère le vieillissement du papier, c'est pourquoi le cycle de séchage est l'une des étapes les plus surveillées de l'usine.

 

Deux chiffres sont constamment confondus dans les discussions sur les transformateurs : la classe thermique du matériau et la limite d'échauffement-. Ce sont des quantités différentes, et la différence est importante pour les spécifications et pour le fonctionnement.

Paramètre	Valeur	Base
Classe thermique d'isolation (matériau)	Classe A : température de point chaud continu maximum de - 105 degrés-du matériau	CEI 60085
Température ambiante de référence	40 degrés	CEI 60076-2
Limite d'augmentation de la température moyenne sinueuse-	65 K	CEI 60076-2
Limite supérieure d'augmentation de la-température de l'huile-	60 K	CEI 60076-2
Allocation d'augmentation de la-température du point-le plus chaud	78 K	CEI 60076-2
Élévation réduite en option (conceptions à perte- réduites)	55 K moyenne d'enroulement (exemple de valeur proposée)	Option du fabricant, pas une exigence standard

À une température ambiante standard de 40 degrés, une augmentation moyenne de 65 K place la température moyenne de l'enroulement à 105 degrés -, soit le même chiffre que la classe A. Cette coïncidence explique pourquoi les deux chiffres sont si souvent confondus. Le point le plus chaud se situe au-dessus de la moyenne sinueuse ; la tolérance de 78 K de la CEI 60076-2 couvre le gradient entre la moyenne et le point le plus chaud. En d'autres termes : 105 degrés est ce à quoi la famille de matériaux est censée résister, 65 K est la température à laquelle l'enroulement peut s'élever au-dessus d'une température ambiante de 40 degrés, et les deux ne coïncident numériquement que dans des conditions standard.

Pour les projets livrés en Chine ou selon les spécifications chinoises, deux documents supplémentaires sont importants. GB/T 6451 définit les paramètres techniques et les valeurs de perte pour les transformateurs de puissance immergés dans l'huile de la classe 10 kV, couvrant la puissance nominale de 750 kVA. GB 20052-2020 définit trois niveaux d'efficacité énergétique- ; les pertes à vide et en charge d'une unité de 750 kVA sont sélectionnées en fonction du niveau requis par le marché de destination et de son système d'incitation.

 

 

La qualité de l’isolation n’est pas visible de l’extérieur, elle doit donc être démontrée par des tests. Chaque unité de 750 kVA quitte l'usine avec un rapport de test de routine ; les valeurs diélectriques décisives suivent la norme CEI 60076-3.

 

Tests diélectriques de routine

• Résistance d'isolement (megger).Mesuré entre les enroulements et à la terre avec un testeur d'isolement de 2,5 kV ou 5 kV. Un critère d'acceptation courant pour une unité de classe 10 kV est de 100 MΩ ou plus à 20 degrés ; l'indice de polarisation (lecture de 10-minutes divisée par la lecture d'1 minute) devrait généralement atteindre 1,5 à 2,0. Il s'agit de critères pratiques sur le terrain : les valeurs contraignantes proviennent du dossier de test en usine de l'appareil et des spécifications d'achat.
• Facteur de dissipation diélectrique (tan δ).Mesuré avec un pont à la fréquence industrielle, généralement à 10 kV pour une unité de classe 10 kV. Une nouvelle unité affiche généralement tan δ en dessous d'environ 0,5 % à 20 degrés ; les limites sont fixées dans les spécifications techniques, et une tendance à la hausse au fil des années est plus significative qu'une seule lecture.
• Test de tenue à la fréquence de puissance-.Pour une unité de classe 10 kV (tension la plus élevée pour l'équipement U_m= 12 kV), le test de tension-de courte durée-appliquée est de 28 kV efficaces pendant 60 secondes, conformément à la norme CEI 60076-3.
• Test d'impulsion de foudre.La même classe d'unité est vérifiée avec une impulsion pleine onde de 1,2/50 µs-de 75 kV en crête selon la norme CEI 60076-3, appliquée aux bornes de ligne.
• Test de tension induite.Vérifie l'isolation entre les-tours et entre-couches en augmentant la tension entre les phases, conformément à la norme CEI 60076-3.
• L'échauffement-et la tenue aux courts-circuits sont des tests de type (IEC 60076-2 et IEC 60076-5), effectués sur une unité représentative de la conception plutôt que sur chaque pièce. Un certificat d'essai de type pour la performance en matière d'échauffement est le document qui relie la limite de conception de 65 K à la réalité.

 

 

Analyse des gaz dissous (DGA)

Une fois le transformateur en service, l’huile elle-même devient l’instrument de surveillance. Les défauts électriques et thermiques décomposent l'huile et le papier en gaz caractéristiques qui se dissolvent dans l'huile ; un échantillon d'huile périodique, analysé par chromatographie en phase gazeuse, révèle quel type de défaut se développe bien avant qu'une panne ne se produise. L'interprétation suit la norme CEI 60599 pour les équipements remplis d'huile minérale--et IEEE C57.104 pour les conseils d'évaluation.

Gaz clés détectés	Type de défaut indiqué
H2(avec du CH4)	Décharge partielle / corona
CH4avec C2H6	Défaut thermique de l'huile à basse-température (inférieure à environ 300 degrés)
C2H4(avec CH4, C2H6)	Défaut thermique de l'huile dans la plage de 300 à 700 degrés - surchauffe des conducteurs ou des connexions
C2H2(avec H2)	Arc -décharge électrique à haute-énergie
CO et CO2	Dégradation thermique des isolants papier/cellulose

 

Une pratique courante consiste à prélever un échantillon d'huile chaque année, à des intervalles plus courts après un événement tel qu'un défaut traversant-, un coup de foudre ou une période de surcharge soutenue. La DGA est ce qui permet une maintenance planifiée au lieu d'un remplacement d'urgence - les ratios de gaz donnent le type de défaut et le taux de changement donne l'urgence.

 

 

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FAQ

T1. Quelle est la limite d'échauffement-pour un transformateur immergé dans l'huile de 750 kVA- ?

Conformément à la norme CEI 60076-2, pour les unités immergées dans un liquide isolé de classe A-à une température ambiante de 40 degrés : montée moyenne de l'enroulement 65 K, montée de l'huile supérieure-60 K, tolérance du point le plus chaud-78 K. Des conceptions à perte réduite peuvent être proposées avec une montée plus faible, par exemple 55 K.

 

Q2. La « Classe A » signifie-t-elle que le transformateur peut fonctionner à 105 degrés ?

No. 105 degré est la classe thermique du matériau isolant selon la CEI 60085 - la température continue la plus élevée pour laquelle la famille de matériaux est évaluée. La limite de fonctionnement est exprimée en températureaugmenterau-dessus de la température ambiante : 65 K en moyenne. À une température ambiante de 40 degrés, l'enroulement moyen se situe à près de 105 degrés et le point chaud plus haut, de sorte que le chiffre de 105 degrés et l'élévation de 65 K décrivent le même point de conception dans deux unités différentes.

 

Q3. Pourquoi le contrôle de l’humidité est-il si important pour l’isolation des transformateurs ?

L'eau réduit la tension de claquage de l'huile et accélère plusieurs fois le vieillissement de l'isolation en papier-à la même température. Il est contrôlé lors du traitement (dégazage et déshydratation sous vide, avec un objectif typique inférieur à environ 20 mg/kg d'eau dans l'huile neuve) et supervisé en service conformément aux directives de la norme CEI 60422, soutenu par le système de préservation de l'huile-.

 

Q4. Quels tests prouvent la qualité de l’isolation d’une unité neuve ?

Les tests diélectriques de routine : résistance d'isolement et indice de polarisation, tan δ, tenue à la fréquence industrielle - (28 kV pour une unité de classe 10 kV), aux chocs de foudre (75 kV) et au test de tension induite -, le tout conformément à la norme CEI 60076-3. L'essai de type d'échauffement selon la norme CEI 60076-2 vérifie la conception thermique sur une unité représentative.

 

Q5. Que peut nous dire l’analyse des gaz dissous ?

DGA identifie le type de défaut se développant à l'intérieur du réservoir : l'hydrogène suggère une décharge partielle, l'éthylène suggère une surchauffe thermique de l'huile, l'acétylène suggère un arc électrique et les oxydes de carbone suggèrent une dégradation du papier (IEC 60599 / IEEE C57.104). La tendance des concentrations de gaz indique la vitesse à laquelle la faille se développe.

 

Q6. Quelle durée de vie peut-on attendre d'un transformateur de distribution de 750 kVA ?

Les transformateurs de distribution sont généralement conçus pour 20 à 30 ans. La durée de vie réelle dépend du profil de charge, de la température ambiante, du contrôle de l'humidité, de la qualité de la maintenance et de la fréquence de fonctionnement de l'unité au-dessus de sa température de point chaud nominale - le modèle de vieillissement de la norme CEI 60076-7 quantifie ce compromis.