Ãtude de l'isolation hybride en vue de son application dans les transformateurs de puissance

Depuis près d'un siècle, l'isolation traditionnelle ou conventionnelle (complexe huile/cellulose) a été le type d'isolation par excellence utilisée dans les transformateurs de puissance et dans la plupart des équipements électriques de puissance. Mais le papier cellulose qui représente la partie solide de cette isolation possède de nombreuses faiblesses. En effet le vieillissement du papier cellulose dans les transformateurs de puissance est accéléré par l'humidité, l'oxygène, les catalyseurs métalliques, la température, etc. Ce qui a pour conséquence l'augmentation du risque de défaillances. Une autre grande faiblesse du papier cellulose réside en son incapacité à protéger les enroulements électriques du transformateur contre les effets nuisibles du soufre corrosif.\n \nVu toutes les faiblesses du papier cellulose, plusieurs études ont été menées pour évaluer les performances du papier aramide qui possède de très bonnes propriétés thermiques. Le papier aramide est actuellement utilisé comme isolant à haute température, associé aux huiles à point de feu élevé ou huiles alternatives (huiles synthétiques et végétales), principalement dans les transformateurs de traction électrique. L'isolation solide hybride est quant à elle, soit associée à l'huile minérale, soit associée aux huiles à point de feu élevé, et elle trouve son application dans les transformateurs de sous-stations mobiles et fixes. La technologie de fabrication est maîtrisée par les constructeurs, par contre les exploitants des réseaux électriques ne disposent pas de données de référence (normes) comme outils de diagnostic, leur permettant de suivre l'état de santé de l'isolation de ce nouveau type de transformateur.\n \nL'objectif global de ce travail de recherche était d'étudier l'isolation hybride en vue de démontrer sa potentielle utilisation dans les transformateurs de puissance. Cet objectif a été scindé en trois objectifs spécifiques à savoir:\n \n- Améliorer les outils de diagnostic de l'état des isolations solides hybride, et conventionnelle ;\n- Diagnostiquer l'état des huiles des isolations hybride, haute température et conventionnelle ;\n- Etudier la capacité du papier aramide et du papier cellulose à protéger le cuivre (enroulements électriques) contre les effets nuisibles du soufre corrosif. Dans le but d'atteindre les objectifs fixés, nous avons conduit des vieillissements thermiques accélérés en laboratoire.\n \nPour le premier et le deuxième objectif spécifiques, le vieillissement est réalisé selon la norme ASTM (American Society for Testing and Materials)-D1934 sur quatre types d'isolations à savoir : l'isolation hybride, l'isolation conventionnelle, l'isolation haute température et l'isolation sans papier. À la fin des vieillissements, nous avons appliqué un défaut thermique sur le papier pour chaque échantillon à l'aide d'un équipement conçu au sein de notre laboratoire que nous avons dénommé « Thermo-Contraintes».\n \nPour le troisième objectif spécifique, le vieillissement est réalisé selon la norme IEC (International Electrotechnical Commission)-62535, sur des huiles minérales, synthétiques, végétales et silicones dans le but d'étudier l'impact du soufre corrosif.\n \nPour le premier objectif spécifique, nous avons utilisé la mesure du degré de polymérisation et la détermination des quantités d'oxydes de carbone par l'analyse des gaz dissous (DGA) pour évaluer l'état du papier cellulose de l'isolation conventionnelle comparativement à celui de l'isolation hybride. Nos résultats indiquent que le papier cellulose de l'isolation hybride est moins dégradé que celui de l'isolation conventionnelle. La durée de vie d'un transformateur étant liée à celle du papier, ces résultats permettent de conclure qu'un transformateur à isolation hybride a une durée de vie plus élevée que celui à isolation conventionnelle. Nous avons par la suite établi une très bonne corrélation entre quantités d'oxydes de carbone et degré de polymérisation. Cette corrélation permettra d'apporter une grande précision dans l'interprétation des résultats du DGA pour les transformateurs.\n \nEn ce qui concerne le deuxième objectif spécifique, nous avons utilisé quatre techniques de diagnostic physico-chimique (produits de décomposition dissous 'DDP', Turbidité, Tension interfaciale (IFT) et humidité) afin d'évaluer de façon comparative la qualité des huiles des quatre types d'isolation à l'étude. Selon nos résultats, l'huile de l'isolation hybride a une meilleure qualité à partir d'un certain stade de vieillissement et surtout après l'apparition d'une contrainte thermique sur l'isolation solide.\n \nPour le troisième objectif spécifique, une étude qualitative suivie d'une étude quantitative ont permis d'aboutir aux résultats suivants : l'aramide protège mieux le cuivre contre le soufre corrosif dans les huiles minérales; les huiles esters synthétiques sont non corrosives; l'huile végétale est non corrosive mais en présence du papier cellulose on observe un certain niveau de corrosivité; le papier aramide favorise la formation du soufre corrosif dans les huiles silicones.\n \nSur la base de tous les résultats obtenus, nous pouvons déclarer que l'utilisation de l'isolation hybride dans les transformateurs de puissance est envisageable.\n\n-\n\nFor nearly a century the conventional insulation (oil / cellulose complex) was the type of insulation used in the power transformers and most electrical power equipments. But the cellulose paper, the solid part of this insulation has many weaknesses. Indeed, the aging of cellulose paper in power transformers is accelerated by moisture, oxygen, metal catalysts, temperature, etc.). The risk of failures is thereby increased. Another major weakness of cellulose paper is its inability to protect the electrical transformer windings against the harmful effects of corrosive sulfur.\n \nGiven all the weaknesses of cellulose paper, several studies have been conducted to evaluate the performance of aramid paper, which has better thermal properties. The aramid paper is currently used as high temperature insulation, combined with high fire point oils (synthetic and vegetable oils), mainly in electric traction transformers. The hybrid solid insulation is associated with mineral oil or with high fire point oils; it finds application in transformers of fixed and mobile substations. Manufacturing technology is controlled by manufacturers but operators of electrical networks do not have baseline data (standards) as diagnostic tools, allowing them to monitor the health/condition of the isolation in this new type of transformer.\n \nThe overall objective of this research was to study the hybrid insulation and to demonstrate its potential use in power transformers. This overall objective has been subdivided into three specific objectives, namely: (i) improving the diagnostic of the condition of solid hybrid insulation and conventional solid insulation; (ii) diagnosing the condition of oils sampled from hybrid, high temperature and conventional insulation and finally (iii) investigating the ability of aramid paper and cellulose paper to protect the copper (electrical windings) against harmful effects of corrosive sulfur.\n \nIn order to achieve these objectives, thermal accelerated aging were conducted in laboratory :\n \n- according to ASTM D1934 (American Society for Testing and Materials), four different type of insulation samples were considered, namely the oil impregnated hybrid insulation, oil impregnated cellulose insulation, oil impregnated high temperature insulation and paperless oil samples. Following the aging procedure, a local overheating (thermal fault) was applied on the paper sample using an experimental setup designed in our laboratory (first and second specific objectives).\n- according to the IEC (International Electrotechnical Commission)-62535, for mineral, synthetic, vegetable and silicones oils (third specific objective).\n \nThe degree of polymerization by viscosimetry and the determination of the carbon oxides by dissolved gas analysis (DGA) were determined to assess the condition of the paper in conventional insulation compared to that of the hybrid insulation. Our results indicate that cellulose paper in the hybrid insulation is less degraded when compared to the conventional insulation. Since the life of a transformer is directly related to the solid insulation, these results suggest that hybrid transformer insulation has a higher life than conventional ones. Subsequently, a very good correlation between amounts of oxides of carbon and degree of polymerization was established. This relationship might help improving the accuracy when interpreting the results of the DGA for transformers (first specific objective).\n \nRegarding the second specific objective, we used four physicochemical diagnosis techniques (dissolved decay products ' DDP ', Turbidity, interfacial tension (IFT) and water content) to assess comparatively the quality of oils sampled from the four types of insulation. According to our results, the oil of the hybrid insulation indicated better quality at a certain stage of aging and especially after the application of thermal stress on the solid insulation.\n \nFor the third specific objective, a qualitative study followed by a quantitative ones provided the following results: aramid paper better protects copper against corrosive sulfur in mineral oil; synthetic ester oils are not corrosive; the vegetable oil is not corrosive but in the presence of cellulose paper, a degree of corrosiveness is observed and the aramid paper promotes formation of corrosive sulfur in silicone oils.\n \nBased on the obtained results, the feasibility of using hybrid insulation in power transformers is

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