Comportement diélectrique des liquides isolants pour transformateurs

Contexte

Dans un transformateur les liquides assurent deux fonctions : ce sont des liquides de refroidissement et des isolants électriques. Toutefois dans les changeurs de prises ils assurent en outre une fonction de lubrification et d'extinction d'arc. Dans la Brochure Technique (BT) on s'intéresse au comportement diélectrique des liquides dans leur utilisation dans un transformateur, en prenant en compte la potentielle influence de l'isolation solide sur le comportement des liquides. L'objectif de la BT est d'analyser les spécifications et les normes d'essai des liquides diélectriques, vues du point de vue d'un concepteur de transformateur, d'examiner le comportement des liquides diélectriques soumis à différentes contraintes et d'identifier, in fine, les lacunes de connaissance qui subsistent.

L'adoption des nouveaux liquides a été motivée par leurs propriétés fonctionnelles plus intéressantes, comme leur biodégradabilité, leur faible corrosivité, leur résistance au feu et leurs meilleures performances de refroidissement. Le retour d'expérience a montré que le comportement diélectrique de ces liquides pouvait être différent de celui des huiles minérales classiques.

En plus au cours des dernières décennies un considérable effort a été consacré à des études scientifiques plus fondamentales sur les phénomènes de claquage dans différents liquides, avec des études se focalisant plus sur la longueur et la vitesse des pré-décharges appelées "traceurs", et sur les courbes tension / temps avant claquage. Les vitesses de propagation des traceurs varient d'un liquide à un autre, et elles dépendent de la tension appliquée, de la configuration du champ, de sa polarité, etc. La propagation des traceurs se fait selon différents modes, et sa vitesse peut varier dans un rapport allant de 1 à 100 en fonction, par ex., de la tension appliquée. Ceci impacte la coordination de l'isolement interne des transformateurs, tout particulièrement pour les chocs de foudre, ce qui est très important parce que dans les huiles minérales les traceurs se comportent tous de façon très semblable, alors dans les autres liquides leur comportement peut changer considérablement d'un liquide à un autre.  Par conséquent un des objectifs de la BT est de relier les études scientifiques aux pratiques industrielles et aux normes.

Comment les traceurs naissent et se développent dépend de la géométrie du champ environnant. Deux situations principales peuvent exister :

• “Claquage lié à l'apparition d'un traceur” : Ceci correspond à la situation dans laquelle tout traceur qui naît se propage forcément jusqu'au claquage. Ce processus est habituellement constaté dans une configuration de champ uniforme, et il est fortement influencé par la contamination.
•  “Claquage lié à la propagation d'un traceur” : Ceci correspond à la situation dans laquelle un traceur qui apparaît ne se propage pas forcément jusqu'au claquage. Ce processus est habituellement constaté dans le cas d'un champ divergent (de pointe à plan). L'occurrence du claquage dépend de la vitesse de propagation du traceur, de l'intervalle isolant, et de la durée d'application de la contrainte.

Cette distinction (apparition contre propagation) a une grande importance pour l'interprétation correcte des événements de claquage, dans la mesure où l'apparition et la propagation ne sont pas influencées par les mêmes paramètres. Par exemple la présence de pollution (eau, particules solides) aura une influence considérable sur l'apparition, sous une contrainte CA dans un champ uniforme, mais n'aura que peu d'influence sur la vitesse de propagation  et la longueur des traceurs pour un choc de foudre dans un champ divergent. En plus le type de liquide peut avoir une grande influence sur la vitesse de claquage des traceurs dans des intervalles isolants non uniformes, mais moindre sur leur apparition dans un champ uniforme.

Lors des essais d'un transformateur, celui-ci doit faire face à de nombreuses tensions différentes, allant des chocs de courte durée jusqu'aux tensions CA à la fréquence de service. Pour les tensions chocs les valeurs sont plus élevées que pour essais CA, ce qui correspond à la courbe tension d'isolation;durée (V-t). Alors que ces ratios entre tensions d'essais sont bien établis pour les huiles minérales, et validés par des décennies d'expérience, il est important de rappeler que ces courbes V-t sont celles des huiles minérales et peuvent ne pas être valides pour d'autres liquides.

Chapitres de la BT

L'attention du GT s'est surtout concentrée sur l'étude du comportement des liquides diélectriques utilisés dans les systèmes d'isolation des transformateurs, et a porté sur les caractéristiques fonctionnelles en rapport avec leur utilisation comme matériau isolant diélectrique. 

Le Chapitre 1 présente le contexte des travaux objet de la BT.

Dans le Chapitre 2 on passe en revue les liquides commercialement disponibles, leurs compositions et leurs propriétés chimiques. La structure interne d'un transformateur (enroulements, liaisons et changeur de prises) est décrite rapidement. Des exemples de répartitions des champs et de valeurs typiques des contraintes sont donnés pour différentes géométries. Les courbes tension-durée sont examinées à la suite.

Dans le Chapitre 3 on analyse les travaux scientifiques portant sur sur le comportement diélectrique des liquides, liquides disponibles dans le commerce et liquides modèles. Les phénomènes de pré-claquage sont décrits en détail avec une attention particulière sur la composition chimique, la pression, la répartition du champ, etc. L'impact des cheminements à la surface des solides et des barrières est également étudié. Le chapitre est divisé en trois parties. La première partie présente des expériences sur les intervalles pointe-plan, avec des claquages liés à la propagation, la deuxième décrit des expériences portant sur des claquages liés à l'apparition de traceurs et la troisième analyse, in fine, d'autres effets en liaison avec les claquages.

Des publications traitant des mécanismes physiques suggérés comme impliqués dans la propagation des traceurs, et des modèles de propagation des traceurs, sont analysées dans le Chapitre 4. Bien que beaucoup d'idées paraissent intéressantes, aucun modèle n'a prouvé sa capacité à décrire dans toute sa complexité la propagation d'un traceur.

Dans le Chapitre 5 on examine les trois documents CEI portant sur les essais des liquides :

• Norme CEI 60156: Liquides isolants - Détermination de la tension de claquage à la fréquence de service – méthode d'essai.
• Norme CEI 60897: Méthodes de détermination de la tenue à la tension de choc de foudre des liquides isolants.
• Rapport Technique 61294: Liquides isolants- Détermination de la tension d'apparition des décharges partiales (PDIV) – Procédure d'essai.

Les insuffisances et les propositions de révision des normes et des méthodes d'essai de l'industrie sont débattues, en prenant en compte les nouveaux résultats expérimentaux et les autres nouveaux liquides diélectriques, d'une part, et les besoins des utilisateurs, d'autre part.

Le Chapitre 6 examine les pratiques et les méthodes industrielles suivies pour les essais et le dimensionnement de l'isolation des transformateurs, en mettant en exergue les connaissances qui manquent. Des suggestions de recherche pour CIGRE et la CEI, sont avancées.

Conclusions

Il est évident que le comportement diélectrique des liquides dépend de leur composition chimique. Certains des comportements des huiles non minérales peuvent différer de ceux des huiles minérales. Les règles bien établies du dimensionnement basées sur l'utilisation d'huile minérale ne sont pas, par conséquent, directement applicables en cas d'utilisation d'autres liquides isolants.

Les méthodes d'essais des normes internationales existantes, concernant le comportement diélectrique des liquides, ne permettent pas d'appréhender correctement les propriétés fonctionnelles des liquides et doivent par conséquent être révisées.

La caractérisation et l'étude des traceurs pré-claquage sont essentiels pour mieux comprendre et prédire le comportement diélectrique des liquides. Bien prendre en compte les différences importantes entre les claquages liés à l'apparition d'un traceur et les claquages liés à la propagation d'un traceur est un aspect important dans l'interprétation et l'extrapolation des résultats. Par exemple, les différences dans les vitesses de propagation ont un impact sur la conception de l'isolation quand c'est le processus de claquage lié à la propagation qui est en cause (par ex .pour des géométries non homogènes avec un facteur d'utilisation faible et des intervalles isolants importants).

Bien qu'il y ait eu de nombreuses études, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour mieux comprendre la physique des traceurs. Par exemple, les différences entre liquides en matière de conditions d'apparition des traceurs (dont l'influence du revêtement de l'électrode)  ne sont pas complètement documentées, alors qu'elles sont d'un grand intérêt dans les conditions des claquages liés à l'apparition de traceurs, qui sont celles de beaucoup de zones au sein d'un transformateur.

Tant que des modèles de propagation et de claquage dignes de confiance ne sont pas opérationnels, il faudra compter sur des essais pour évaluer les nouveaux liquides. Avec des modèles physiques fiables les besoins d'essai seraient réduits, et il est par conséquent important de poursuivre les travaux pour comprendre les mécanismes gouvernant l'apparition et la propagation des traceurs.

La bibliographie incluse dans la BT porte sur une grande variété d'études et constitue une bonne référence de base pour des travaux ultérieurs.