Étude de la contrainte électrique subie par l'isolation de spires dédiée des bobines statoriques des grandes machines hydroélectriques

La production et la consommation d'énergie électrique sont essentielles pour assurer le bon fonctionnement de la société. Les machines électriques jouent un rôle crucial dans la performance des systèmes électriques, en particulier dans la production d’électricité, ce qui souligne l'importance de les maintenir en bon état. Cependant, les défaillances des bobines d'alternateurs sont souvent reliées à l'isolation de spires dédiée, (Dedicated Turn Insulation (DTI)), entrainant des dommages significatifs dans l’alternateur. La défaillance du DTI est généralement provoquée par des impulsions provenant du réseau, comme les phénomènes transitoires liés aux manœuvres des équipements de coupure ou à la foudre. Cette défaillance survient lorsque le DTI est dégradée pour maintenir un niveau d'isolement acceptable. \n \nActuellement, il existe peu d’études sur le phénomène de dégradation de l’isolation de spires dédiée et présentement, il n’y a aucun essai type pour évaluer la performance à long terme de ce type d’isolation. Malgré le manque de connaissances, les manufacturiers proposent d’utiliser des bobines sans isolation de spires dédiée (dedicated turn insulation DTI), qui sont moins coûteuses à fabriquer et qui permettraient d’augmenter la puissance de l’alternateur, car lorsqu’il n’a pas d’isolation de spires dédiée, il y’a plus d’espace, on peut donc augmenter la surface conductrice et réduire les pertes joules. Ces types de bobine sont présentement utilisés en Europe mais est très peu en Amérique du Nord puisque leur performance à long terme n’a pas encore été démontrée. \n \nDans le cadre des projets de réfection des alternateurs, Hydro-Québec est amené à prendre des décisions sur l’achat des différents types de bobines proposé par les manufacturiers. Le projet d’étude de la performance à long terme des bobines avec et sans DTI permettra à HydroQuébec de prendre des décisions éclairées en s’appuyant sur des données valables quant à la performance des bobines sans DTI et valider si elle est comparable aux bobines avec DTI. \n \nLa première partie de l’étude visait à étudier la capacité de la technique mesure SFRA (Analyse de la Réponse en Fréquence de la Mesure) à caractériser la dégradation du système d’isolation DTI. Les outils de diagnostic conventionnels tel que les mesures de décharges partielles et du facteur de dissipation pour le diagnostic de l’isolation de masse ne sont pas performants pour tester l’isolation de spire dédiée. C'est pour cette raison que, la technique de mesure SFRA, couramment utilisée pour les transformateurs de puissance présentait un intérêt et s’est avéré efficace à détecter des défauts de l’isolation DTI. Les avantages de la mesure SFRA résident dans sa portabilité (équipements alimentés par batterie), sa rapidité à détecter divers défauts et sa sécurité (application de faibles tensions). À ce jour, cette technique n'a été testée que de manière expérimentale pour les machines électriques et aucun projet de normalisation n'est en cours. L’évaluation de la mesure SFRA s’est faite par l’insertion de résistance de défaut entre spires sur une bobine individuelle en laboratoire. \n \nLa deuxième partie de l’étude visait à développer un modèle de circuit électrique RLC représentatif d’une bobine statorique développé sous l’environnement MATLABSIMULINK. Le but du développement d'un modèle de bobine était de créer une représentation mathématique et physique de la bobine qui permettra d'évaluer comment la tension est distribuée à l'intérieur de celle-ci. Ce modèle contribuera ultérieurement à simuler le comportement de la bobine face à la contrainte électrique, plus précisément aux surtensions responsables des défaillances ultimes des bobines statoriques. \n \nDeux types de modèles ont été évalués, soit celui à paramètres distribués des lignes de transmission et celui à paramètres localisés. C’est ce dernier qui a fait l’objet d’un développement plus poussé étant plus représentatif du comportement d’une bobine statorique. Les mesures SFRA (Analyse de la Réponse en Fréquence de la Mesure) ont été utilisées pour valider ce modèle. En d'autres termes, les résultats des mesures SFRA ont été comparés aux résultats de la simulation obtenue à partir du modèle développé. Cette validation a permis de vérifier si le modèle était précis et reflétait de manière fidèle le comportement réel de la bobine.

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