Comment restaurer l'isolation humide des transformateurs en milieu humide ?

—Comparaison approfondie entre les procédés de circulation d'huile chaude et de séchage sous vide

L'humidité est un ennemi majeur des systèmes d'isolation des transformateurs. Lorsque l'humidité pénètre le carton isolant et l'huile isolante, elle réduit considérablement leur rigidité diélectrique et leurs performances mécaniques, pouvant entraîner des décharges partielles, voire des défaillances d'isolation. Si vous constatez une chute de la résistance d'isolation ou une augmentation du facteur de perte diélectrique (tanδ), un séchage efficace et fiable devient indispensable pour rétablir un fonctionnement sûr. Cet article compare en détail deux techniques de séchage courantes : le séchage par circulation d'huile chaude et le séchage sous vide. Il explique leurs principes, leurs caractéristiques et leurs applications afin de vous aider à faire un choix éclairé.

1. Diagnostic précis : Confirmer le degré d’humidité de l’isolation est la première étape

Avant toute opération de séchage, il est crucial de diagnostiquer avec précision l'état et le degré d'humidité de l'isolant, car cela détermine le choix de la méthode de séchage et les paramètres de réglage.

● Paramètres et normes de diagnostic clés :

(1)Résistance d'isolement (IR) et indice de polarisation (PI) :La mesure de la résistance d'isolement entre les enroulements et entre les enroulements et la masse est la méthode de détection la plus simple et la plus rapide (généralement à l'aide d'un mégohmmètre de 2 500 V ou 5 000 V). Conformément à la norme IEEE 43, l'indice de polarisation (IP = R_10min / R_1min) est plus efficace pour éliminer les effets de la température et évaluer l'état réel de l'isolation. Une valeur d'IP inférieure à 2.0 est généralement considérée comme un signe d'alerte clair d'une isolation affaiblie ou dégradée.

(2)Facteur de perte diélectrique (Tanδ) et capacité :Mesurée à l'aide d'un pont de Schering ou de testeurs automatiques modernes de tangente de l'angle de perte (Tanδ), la valeur de Tanδ des isolants cellulosiques augmente significativement avec l'humidité (une valeur supérieure à 0.5 % indique une humidité possible, tandis qu'une valeur supérieure à 1 % suggère une humidité importante). Le suivi des variations de capacité permet d'évaluer l'uniformité de l'humidité ou la présence de défauts localisés.

(3)Teneur en humidité de l'huile :Déterminée avec précision par la méthode coulométrique de Karl Fischer selon les normes IEC 60422 ou ASTM D1533 (niveau ppm). Bien que l'humidité de l'huile ne reflète pas entièrement l'humidité de l'isolant solide, les deux maintiennent un équilibre dynamique. Une humidité excessive dans l'huile (par exemple, > 25 ppm) est un indicateur clé de l'humidité globale de l'isolant.

(4)Tension de claquage de l'huile (BDV) :L'huile pure et sèche possède une tension de claquage très élevée (> 60 kV). L'humidité et les impuretés réduisent considérablement cette tension (une valeur < 30 kV indique généralement une humidité ou une contamination). Les essais sont réalisés conformément aux normes IEC 60156 ou ASTM D1816.

Tableau 1: Paramètres de diagnostic clés et seuils de référence pour l'isolation des transformateurs

● Conseils de diagnostic :Ces paramètres permettent de déterminer si l'humidité est superficielle ou profonde. Une humidité légère (par exemple, seule l'humidité de l'huile dépasse les limites, l'indice de peroxyde proche de 2) peut convenir à la circulation d'huile chaude. Une humidité modérée à importante (indice de peroxyde nettement inférieur à 2, indice de tanδ fortement élevé) recommande fortement le séchage sous vide.

2. Séchage par circulation d'huile chaude : principes et analyse approfondie

● Principe : On utilise une huile isolante chauffée (65-85 °C), sèche et à faible teneur en humidité (généralement issue d'une unité de traitement d'huile) circulant en continu dans la cuve du transformateur. L'huile chaude et sèche entre en contact avec un isolant solide humide (carton, cylindres de papier, isolation des fils d'enroulement), et transmet la chaleur par conduction et convection. Ce processus réchauffe l'humidité interne, fournissant l'énergie nécessaire à sa migration. En raison du fort gradient d'humidité entre l'huile sèche et l'isolant humide, les molécules d'eau diffusent spontanément des zones de forte concentration (à l'intérieur de l'isolant) vers les zones de faible concentration (dans l'huile en circulation). L'humidité est ensuite entraînée par l'huile vers un purificateur d'huile sous vide externe (chauffée, mise sous vide et filtrée) avant d'être réinjectée dans le transformateur.

● Avantages :

(1)Fonctionnement simple, matériel facilement disponible : Il repose principalement sur des purificateurs d'huile sous vide standard (avec chauffage) et des canalisations de circulation, ce qui facilite sa mise en œuvre sur site.

(2)Risque opérationnel réduit : Le processus reste généralement en dessous de la température nominale de l'huile du transformateur (<85°C), minimisant ainsi les contraintes thermiques sur les composants critiques comme les enroulements électromagnétiques et réduisant les risques de vieillissement de l'isolation.

(3)Rentable:Pas besoin de grands réservoirs à vide ni d'équipements complexes, ce qui réduit considérablement les coûts de main-d'œuvre et de location par rapport au séchage sous vide.

● Limites :

(1)Goulot d'étranglement de l'efficacité du séchage :La vitesse d'élimination de l'humidité est limitée par les taux de diffusion au sein de l'isolant solide. L'écoulement de l'huile affecte principalement les couches superficielles, ce qui rend le séchage en profondeur lent ou incomplet, notamment pour les isolants épais ou les zones d'enroulement très denses.

(2)Temps de traitement long : L'obtention de résultats idéaux (notamment un séchage en profondeur) peut nécessiter des jours, voire des semaines, de circulation continue, ce qui implique des coupures de courant prolongées.

(3)Dépendance à la qualité du pétrole et à la capacité de traitement :Le degré de siccité de l'huile en circulation et l'efficacité du purificateur ont un impact direct sur les résultats. Une huile dégradée ou un traitement inefficace peuvent nuire à l'efficacité du procédé.

● Meilleures applications : Humidité légère (par exemple, humidité de l'huile élevée mais isolation solide qui reste stable), maintenance préventive, séchage supplémentaire après séchage sous vide ou séchage mineur lors de la maintenance de routine de l'huile pour les grands transformateurs.

3. Procédé de séchage sous vide : principes et analyse approfondie

● Principe :Un processus physique par étapes centré sur la réduction du point d'ébullition et l'amélioration de la diffusion :

(1)Phase de préchauffage : Ce procédé utilise la circulation d'huile chaude ou un courant basse tension dans les enroulements (rarement de l'air chaud) pour chauffer uniformément le noyau du transformateur (enroulements et isolation) à 90-110 °C. Il fournit l'énergie nécessaire à la vaporisation de l'humidité sans élimination significative. Ce chauffage uniforme évite toute surchauffe localisée.

(2)Phase de déshydratation sous vide (noyau) :Tout en maintenant la température, un vide poussé (<100 Pa, idéalement <10 Pa) est appliqué à l'intérieur de la cuve du transformateur. Cela abaisse considérablement le point d'ébullition de l'eau.

Bases scientifiques de la réduction du point d'ébullition :
La relation entre la pression de vapeur saturante (P) et la température (T) est approximée comme suit :

ln(P) ≈ A - B/T

(où A et B sont des constantes matérielles).
Sous vide, la pression environnementale réduite (P_env) abaisse la température d'ébullition (T_boil) où P_sat = P_env.

Exemples :

(1)À pression atmosphérique (101.3 kPa), l'eau bout à 100°C.
(2)À une pression absolue de 1 kPa, point d'ébullition ≈7°C.
(3)À 0.1 kPa (100 Pa), point d'ébullition ≈-20°C.

Ainsi, à une température à cœur de 90 °C et sous un vide de 100 Pa, l'eau liquide contenue dans les pores de l'isolant se vaporise violemment. De manière cruciale, la migration de l'humidité passe d'une diffusion liquide lente à une diffusion de vapeur rapide et à un écoulement par perméation.

Le fort gradient de pression (ultra-vide contre une pression proche de la pression atmosphérique à l'intérieur de l'isolant) pousse la vapeur des profondeurs de l'isolant vers l'espace du réservoir. Des pompes à vide extraient continuellement la vapeur, maintenant ainsi une faible pression de vapeur pour un séchage continu. Cette phase élimine la majeure partie de l'humidité beaucoup plus rapidement que la circulation d'huile chaude.

● Avantages :

(1)Séchage en profondeur et complet : Élimine efficacement l'humidité des isolants épais ou profonds, atteignant des niveaux d'humidité aussi bas que 0.5 % (norme d'usine), restaurant plus de 90 % de la résistance électrique et mécanique.

(2)Temps de séchage plus rapide : Dans des conditions idéales (température, vide), le séchage en profondeur s'effectue généralement en quelques jours à une semaine, beaucoup plus rapidement que la circulation d'huile chaude en cas d'humidité importante.

(3)Résultats quantifiables : L'élimination de l'humidité est contrôlée via le débit du condenseur, la stabilité du vide et des critères de fin de cycle (par exemple, absence de condensation pendant des heures avec un vide stable).

● Limites :

(1)Exigences techniques et en matière d'équipement de haut niveau :Nécessite de grandes pompes à vide (à palettes rotatives et à effet Roots), des capteurs de vide de précision, des condenseurs, des éléments chauffants puissants et des joints étanches. L'opérateur doit être qualifié.

(2)Coûts plus élevés :Les frais de location/achat de matériel et de main-d'œuvre sont plus élevés.

(3)Contrôle strict des processus :Un chauffage inégal risque d'endommager l'isolation ; un vide insuffisant ou des fuites nuisent à l'efficacité ; une mauvaise étanchéité permet à l'humidité de pénétrer à nouveau. Une surveillance rigoureuse est essentielle.

(4)Risques de sécurité : Les hautes températures et le vide mettent à rude épreuve l'intégrité structurelle et l'étanchéité des réservoirs.

Tableau 2: Comparaison fondamentale entre la circulation d'huile chaude et le séchage sous vide

4. Comment choisir la bonne méthode de séchage ?

La décision repose sur un diagnostic précis de l'humidité. gravité et évaluation des conditions sur place :

● Prioriser le séchage sous vide pour :

(1)Humidité modérée à sévère confirmée : PI << 2.0, Tanδ >> 1 %, humidité élevée de l'huile avec dégradation importante de l'isolation.

(2)Transformateurs de puissance critiques ou de grande taille : Où maximum La récupération de l'isolation et la fiabilité à long terme sont non négociables.

(3)Rénovations ou nouvelles installations prévues : Standard procédure pour restaurer une isolation comme neuve.

(4)Infiltration d'eau importante ou exposition prolongée à une forte humidité :Pénétration profonde de l'humidité.

● Envisager la circulation d'huile chaude pour :

(1)Humidité légère avec temps d'arrêt flexible : Seuls les paramètres de l'huile sont incorrects, PI ≈ 2.0, légère augmentation de Tanδ et temps suffisant pour un séchage lent.

(2)Complément post-aspiration : Après séchage sous vide, la circulation d'huile chaude équilibre l'humidité huile-papier et élimine les traces résiduelles.

(3)Contraintes liées aux ressources ou au site : Absence d'équipement de mise sous vide ou conditions inadaptées.

Rappel important : une supervision professionnelle, un contrôle rigoureux des paramètres et une évaluation précise du point final sont essentiels. Des réglages incorrects, des fuites de vide ou un arrêt prématuré peuvent entraîner une panne ou des dommages. Faites toujours appel à des prestataires de services qualifiés et expérimentés.

En résumé

L'humidité représente une menace pour l'isolation des transformateurs et ne saurait être négligée. Le choix entre le séchage par circulation d'huile chaude et le séchage sous vide dépend du niveau et de l'intensité de l'humidité. La circulation d'huile chaude, simple et moins risquée, convient aux cas d'humidité légère ou à la maintenance préventive. Pour les cas modérés à sévères ou pour une remise en service conforme aux normes d'usine, le séchage sous vide est la solution de référence : son efficacité, fondée sur des principes physiques (abaissement du point d'ébullition, diffusion par pression), garantit une fiabilité à long terme.

En cas d'humidité dans l'isolation, effectuez des tests complets (IR/PI, Tanδ, humidité de l'huile, etc.), utilisez les données pour évaluer la gravité du problème et consultez des ingénieurs spécialisés. Adaptez la méthode à l'état de votre transformateur, aux contraintes du site et à votre budget afin de préserver votre infrastructure électrique.

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