Quel est le rôle du procédé d’imprégnation sous vide et sous pression (VPI) ?

 — L'étape clé pour améliorer la durée de vie de l'isolation des transformateurs à sec

Dans les centres de données, les bâtiments commerciaux, les centrales électriques à énergie renouvelable et les installations industrielles du monde entier, les transformateurs secs basse tension sont devenus des composants essentiels des systèmes de distribution d'énergie grâce à leurs principaux avantages : fonctionnement sans huile, résistance au feu, respect de l'environnement et facilité d'entretien. Cependant, leur fiabilité à long terme et la durée de vie de leur isolation sont fondamentalement garanties par un procédé de fabrication crucial : l'imprégnation sous vide et sous pression (IPV). Loin d'être une simple imprégnation, l'IPV est un procédé physique précis conçu pour éliminer les défauts microscopiques des enroulements, créant ainsi un système d'isolation intégré dense, uniforme et sans défaut. Cela améliore considérablement les performances électriques, la résistance aux intempéries, l'efficacité de la gestion thermique et la résistance mécanique des transformateurs secs basse tension, ce qui en fait la clé pour atteindre une durée de vie de 30 ans ou plus.

1. Amélioration des performances électriques : élimination des décharges partielles et doublement de la rigidité diélectrique

●Cause profonde (problème) :
La structure des enroulements des transformateurs secs basse tension est complexe, avec de nombreux espaces d'air microscopiques et pores capillaires entre les conducteurs, les matériaux isolants intercouches (par exemple, papier Nomex®, tissu de fibre de verre) et les supports. Ces pores retiennent facilement les traces d'humidité ou d'air pendant la fabrication et le fonctionnement. La rigidité diélectrique de l'air et de l'eau (~3 kV/mm) est bien inférieure à celle de la résine époxy (>20 kV/mm). Sous l'effet de champs électriques haute tension, les molécules gazeuses/liquides présentes dans ces pores s'ionisent, déclenchant des décharges partielles (DP). Ces décharges partielles continues agissent comme de « minuscules étincelles électriques », érodant inexorablement le matériau isolant, brisant les chaînes polymères et provoquant une carbonisation progressive. Ceci entraîne une dégradation continue de l'isolation, jusqu'à son claquage.

● Solution VPI (Mesures) :

(1)Étape de vide profond : TLes enroulements assemblés du transformateur sont placés dans une chambre à vide et soumis à un vide poussé (généralement < 1 mbar). Le vide remplit deux fonctions essentielles :

-Supprime de forcel'air et l'humidité adsorbée des pores, réduisant considérablement la densité du gaz interne et l'humidité, éliminant ainsi la cause première de la décharge partielle.

-Ouvre et nettoiecanaux capillaires à l'intérieur du matériau isolant, les préparant à la pénétration de la résine.

(2)Étape d'imprégnation sous pression :Tout en maintenant le vide ou une basse pression, une résine époxy à faible viscosité et sans solvant est injectée pour immerger complètement les enroulements. Une haute pression (généralement de 5 à 8 bars) est ensuite appliquée. Cette pression propulse la résine rapidement et en profondeur dans tous les micropores, capillaires et interstices entre les couches et les spires de l'enroulement, remplaçant et remplissant ainsi tout gaz résiduel.

●Amélioration des performances (résultat) :

(1)Rigidité diélectrique nettement supérieure :La résine dense élimine presque tous les espaces d'air de faible résistance, augmentant considérablement la tension de claquage du système d'isolation. Ceci suit la formule de rigidité diélectrique :

     Eb∝(d⋅εr)−1

où Eb est l'intensité du champ de claquage (kV/mm),d est la taille effective de l'entrefer (mm), et εr est la constante diélectrique du matériau. VPI minimise d, augmentant ainsi Éb.

(2)Décharge partielle ultra-faible :Conforme à la norme CEI 60076-11 relative aux transformateurs secs, le VPI garantit une tension d'amorçage des décharges partielles (PDIV) bien supérieure à la tension de fonctionnement. Les niveaux de décharges partielles (PD) mesurés sont constamment stabilisés à < 5 pC (bien en dessous de la limite standard de ≤ 10 pC), garantissant un fonctionnement sans décharge à long terme et une durée de vie prolongée.

(3) Caractéristiques de capacité stables :La structure d'isolation homogène offre des paramètres de capacité plus stables et prévisibles, facilitant la protection du système et la surveillance de l'état.

2. Protection de l'environnement : Construire un bouclier contre l'humidité, la contamination et l'érosion chimique

● Cause première (problème) :
Les transformateurs secs basse tension sont souvent déployés dans des environnements difficiles : forte humidité (côtiers, tropicaux), poussières (zones industrielles) ou gaz corrosifs (usines chimiques, stations d'épuration). Les enroulements non traités VPI (par exemple, avec revêtement par immersion) peuvent bénéficier d'une protection de surface, mais les microcanaux internes et les interstices entre les couches restent non étanches. L'humidité, le brouillard salin, les poussières conductrices et les vapeurs acides/alcalines peuvent alors lentement s'infiltrer dans l'isolant ou s'accumuler dans les interstices non remplis. Parmi les conséquences possibles, on peut citer une diminution de la résistance de l'isolant, une augmentation du courant de fuite, de la corrosion électrochimique, des cheminements de surface et même des défaillances par contournement, accélérant ainsi le vieillissement de l'isolant.

● Solution VPI (Mesures) :

Lors de l'imprégnation haute pression, la résine époxy remplit non seulement les pores internes mais forme également une couche d'encapsulation continue, dense et sans couture sur l'ensemble de l'enroulement (conducteurs, isolation, supports).Cette couche :

(1)Bloque physiquement tous les canaux de contact entre l'enroulement et les environnements externes.

(2) La résine époxy elle-même offre une excellente hydrophobicité, résistance chimique et résistance mécanique.

     ● Amélioration des performances (résultat) :

(1) Résistance supérieure à l’humidité :Le bobinage assure un haut niveau d'étanchéité (par exemple, protection IP23). Même après des tests de chaleur humide (CEI 60068-2-78), la résistance d'isolement (IR) et l'indice de polarisation (IP) restent élevés (IP souvent > 3.0, dépassant largement la norme ≥ 2.0), surpassant ainsi les produits sans IPV.

(2) Forte résistance à la contamination :La surface lisse et dense de la résine durcie minimise l'accumulation de polluants, améliorant ainsi la tension de contournement de surface.

(3)Excellente résistance chimique :Résiste efficacement à la corrosion des gaz et liquides industriels.

(4) Résistance mécanique améliorée :La résine durcie lie tous les composants en une unité solide, améliorant considérablement la résistance aux forces électromagnétiques de court-circuit (conformément aux exigences de la norme CEI 60076-5).

3. Optimisation de la gestion thermique : élimination des points chauds et prolongation de la durée de vie thermique

● Cause première (problème) :
En fonctionnement, les enroulements génèrent de la chaleur en raison de la résistance du conducteur (pertes de cuivre). La chaleur doit être transférée à travers l'isolant vers le noyau et les surfaces de refroidissement. Cependant, les entrefers agissent comme des isolants thermiques (conductivité thermique de l'air ≈ 0.026 W/mK), créant des barrières à haute résistance thermique qui entravent le flux thermique. Cela provoque une accumulation de chaleur au niveau des entrefers, formant des points chauds locaux bien plus chauds que la température moyenne des enroulements. Selon la loi d'Arrhenius, le vieillissement thermique des matériaux isolants croît de manière exponentielle avec la température :

                   L∝e−Ea/(k⋅T)

         où:

L= durée de vie de l'isolation,

Ea= énergie d'activation du matériau,

k= constante de Boltzmann,

 T= température du point chaud (Kelvin).
Pour une isolation de classe H (point chaud de conception : 155 °C), une augmentation de 10 °C de la température du point chaud réduit de moitié la durée de vie thermique théorique ! Une surchauffe chronique accélère la dégradation du polymère, les réactions chimiques internes et peut entraîner une carbonisation ou une fusion, provoquant des courts-circuits entre les spires ou les couches.

 ● Solution VPI (Mesures) :
   Le VPI comble les lacunes avec de la résine époxy, qui :

(1) Élimine les barrières thermiques à lame d'air :Remplace l'air par de la résine (conductivité thermique ≈0.2-0.3 W/mK, 10× meilleure que l'air), réduisant la résistance thermique de contact.

(2)Crée des chemins de chaleur efficaces :La résine forme des ponts thermiques continus entre les conducteurs et l'isolant (par exemple, Nomex®), permettant un transfert de chaleur uniforme et efficace vers le noyau et les surfaces de refroidissement.

● Amélioration des performances (résultat) :

(1) Réduction de la température du point chaud :L'IPV abaisse les températures des points chauds critiques de 10 à 15 °C par rapport aux méthodes conventionnelles. Pour les isolants de classe H, la réduction des points chauds de 130 °C à 115 °C ou moins multiplie la durée de vie thermique selon la loi d'Arrhenius.

(2)Répartition plus uniforme de la température :L'amélioration du transfert de chaleur équilibre les températures, réduisant ainsi l'élévation moyenne et améliorant l'efficacité.

(3)Réduction du stress dû au cycle thermique :Des températures uniformes minimisent les contraintes internes dues aux différents coefficients de dilatation thermique (cuivre, isolation, résine), réduisant ainsi les risques de fissures.

4. Avantages du processus et valeur à long terme

VPI représente le summum de la fabrication de transformateurs de type sec, offrant des avantages bien plus importants que les méthodes traditionnelles :

Le procédé d'imprégnation sous vide (VPI), en remplissant en profondeur les pores microscopiques des enroulements, équipe les transformateurs de type sec basse tension avec des températures ultra-basses <5pC.

En résumé

Décharge partielle (selon la norme CEI 60076-11), étanchéité totale IP23 et durée de vie thermique validée de plus de 30 ans (IEEE C57.12.01). Technologie de renforcement d'isolation de pointe, le VPI permet un fonctionnement sans entretien et réduit considérablement les coûts du cycle de vie : la résistance de l'isolation détermine sa durée de vie.

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