Une augmentation excessive de la température peut-elle faire fondre les matériaux d’isolation des transformateurs ?

— Un guide complet sur les paramètres d'augmentation de la température

Paramètre critique du fonctionnement des transformateurs, l'échauffement a un impact direct sur la sécurité de fonctionnement et la durée de vie des équipements. Cet article propose une analyse complète des concepts fondamentaux, des facteurs d'influence, des normes internationales et des mesures d'optimisation liés à l'échauffement des transformateurs. Il vise à vous aider à comprendre en profondeur ce paramètre clé et à éviter les accidents graves tels que la fusion des matériaux isolants due à une élévation excessive de la température.

1. Concepts de base et importance de l'élévation de température du transformateur

L'échauffement d'un transformateur désigne la différence entre la température interne d'un transformateur sous charge nominale (une fois la stabilité thermique atteinte) et la température ambiante. Ce paramètre est crucial, car il détermine directement le vieillissement des matériaux isolants et la durée de vie du transformateur.

Lorsque l'élévation de température dépasse les limites de conception, le taux de vieillissement des matériaux isolants double pour chaque augmentation de 8 à 10 °C. Ce phénomène est régi par la théorie de la vitesse de réaction d'Arrhenius, exprimée par la formule suivante :

Taux de vieillissement = A × e^(-Ea/RT)

Où? :

•         A : Facteur pré-exponentiel

•         Ea : Énergie d'activation (J/mol)

•         R : Constante des gaz parfaits (8.314 J/mol·K)

•         T : Température absolue (K)

Tableau 1 : Données sur la classe d'élévation de température

2. Principales causes de l'augmentation excessive de la température

● Surcharge au-delà de la capacité de conception

Selon la loi d'Ohm (I = V/R), le courant traversant un conducteur génère de la chaleur, conformément à la loi de Joule (Q = I²Rt). Lorsqu'un transformateur est surchargé au-delà de sa capacité nominale, la production de chaleur due à la résistance des enroulements augmente de manière quadratique. Par exemple, une augmentation de charge de 100 % à 120 % augmente la production de chaleur de 44 %. Cette surcharge entraîne une accumulation de chaleur dépassant la capacité de refroidissement, provoquant une élévation rapide de la température au-delà des limites de conception.

● Efficacité réduite du système de refroidissement

L'efficacité du refroidissement du transformateur suit la loi de refroidissement de Newton :

q = hAΔT

 où:

-q : taux de dissipation thermique

-h : Coefficient de transfert de chaleur

-A : Zone de dissipation thermique

-ΔT : Différence de température

Des radiateurs obstrués, une mauvaise circulation d'huile ou des pannes de ventilateur réduisent considérablement l'efficacité du refroidissement. Les données montrent qu'une couche de poussière de 1 mm sur les radiateurs peut réduire l'efficacité du refroidissement de 20 à 30 %.

● Température ambiante élevée

Conformément à la norme CEI 60076-7, la capacité nominale du transformateur est basée sur une température ambiante ≤ 40 °C. Une mauvaise ventilation ou des températures ambiantes élevées réduisent le ΔT, ce qui diminue la dissipation thermique. Par exemple, une augmentation de la température de 30 °C à 45 °C peut entraîner une augmentation de la température des enroulements de 15 à 20 °C sous la même charge.

● Dégradation des matériaux isolants

La conductivité thermique (λ) des matériaux isolants diminue avec le vieillissement. Par exemple, un isolant neuf en papier huilé présente une conductivité thermique λ ≈ 0.15-0.18 W/(m·K), mais un vieillissement important peut la réduire en dessous de 0.10 W/(m·K). Cette dégradation crée des points chauds localisés, déclenchant un cercle vicieux : température élevée → vieillissement accéléré → conductivité thermique encore réduite → température encore plus élevée.

3. Conséquences et évaluation des risques d'une augmentation excessive de la température

● Mécanisme de fusion du matériau isolant

Lorsque les températures dépassent la température de transition vitreuse (Tg) des matériaux isolants, les chaînes polymères perdent leur résistance mécanique. Par exemple, le papier Nomex (Tg ≈ 220 °C) perd rapidement sa résistance à la traction au-delà de cette température. L'IEEE rapporte qu'environ 38 % des pannes de transformateurs sont directement liées au vieillissement thermique.

● Augmentation des pertes diélectriques

Le facteur de perte diélectrique (tanδ) des matériaux isolants croît exponentiellement avec la température : tanδ = tanδ0 × e^(αT), où α est une constante du matériau. Une valeur tanδ plus élevée convertit davantage d'énergie électrique en chaleur, créant ainsi une boucle de rétroaction. Les données montrent que la valeur tanδ pour une isolation de classe A à 105 °C est 3 à 5 fois supérieure à celle à 70 °C.

● Production de gaz et dégradation du pétrole

Selon l'analyse du triangle de Duval, lorsque la température du point chaud dépasse 300 °C, l'huile isolante se décompose, produisant des gaz de défaut comme le C₂H₂. Toute augmentation de 10 °C double le taux d'oxydation, augmentant l'indice d'acidité (KOH) de 0.03 à 0.05 mg/g et réduisant la durée de vie de l'isolant huile-papier.

Tableau 2 : Impact de l'augmentation de la température sur la durée de vie du transformateur

En résumé

Une gestion efficace de l'élévation de température nécessite une approche globale couvrant la conception, l'exploitation et la maintenance. Les principales recommandations sont les suivantes :

•         Inspections infrarouges régulières et analyses d'huile.

•         Maintenir des systèmes de refroidissement propres et efficaces.

•            Création d'une base de données de surveillance de l'augmentation de la température pour les alertes de tendance.

•         La gestion proactive de l'élévation de température prolonge considérablement la durée de vie des équipements et réduit les risques de panne. Pour des solutions sur mesure, notre équipe technique propose un accompagnement expert.

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