Pour les concepteurs et les utilisateurs de transformateurs immergés dans l’huile, comprendre la composition et les propriétés de l’huile de transformateur et utiliser ses effets de refroidissement et d’isolation de manière appropriée est très significatif. Cette compréhension est très utile pour obtenir les meilleures performances du transformateur tout au long de sa durée de vie.
1. Huile isolante comme fluide de refroidissement
Lorsqu’on parle de matériaux de base tels que le fer et le cuivre, il a été suggéré qu’ils subissent des pertes d’énergie pendant le fonctionnement du transformateur. Bien entendu, le fer et le cuivre consomment de l’énergie sous forme de chaleur. La chaleur peut provoquer une élévation de température dans le noyau de fer, l'enroulement, le cadre du noyau de fer, le réservoir d'huile ou d'autres pièces de rechange. Si la chaleur est éliminée une fois générée, la chaleur dans ces zones atteindra l’équilibre. Pour la plupart des transformateurs, la limite d'échauffement peut être déterminée en fonction de la capacité portante du papier isolant. Si la limite acceptable du papier isolant est de 100 degrés, la limite d'échauffement doit être réglée à moins de 100 degrés. Un refroidissement efficace est crucial, sauf pour les transformateurs de plus petite capacité, le refroidissement liquide est la meilleure méthode pour tous les autres transformateurs.
Pour la plupart des transformateurs, l'huile minérale est le moyen le plus efficace pour absorber la chaleur du noyau de fer et de l'enroulement, et transférer sa chaleur vers la surface extérieure auto-refroidissante ou refroidie par air-, parfois par circulation forcée d'huile. La capacité thermique ou capacité thermique spécifique et la conductivité thermique de l’huile ont un impact significatif sur la conductivité thermique.
2. Huile isolante comme agent isolant
Dans la plupart des équipements électriques, il existe un grand nombre de composants différents à des potentiels différents, ils doivent donc être isolés les uns des autres. Si l'on veut considérer cela d'un point de vue économique, l'isolation entre les différents composants doit être minimisée autant que possible, ce qui signifie que l'équipement doit être capable de fonctionner avec l'intensité de champ la plus élevée possible. De plus, les transformateurs doivent souvent fonctionner pendant de courtes périodes au-dessus de la tension nominale ou résister à des surtensions transitoires provoquées par le fonctionnement et par la foudre.
Le rôle important de l’huile dans l’efficacité de l’isolation solide se reflète également dans sa capacité à pénétrer et à s’immerger dans les couches entourant l’isolation. Après séchage et dégazage sous vide du papier et autres matériaux à base de fibres, celui-ci est ensuite trempé.
Il convient de souligner que depuis les débuts des transformateurs immergés dans l’huile, les tests de rigidité électrique ont longtemps été la seule norme pour inspecter la qualité électrique des transformateurs. Jusqu'à aujourd'hui, bien qu'il y ait eu de nombreux tests plus complexes, les tests de tenue électrique sont toujours considérés comme les tests les plus simples et les plus adaptés aux tests sur site-.
3. Viscosité et point d'écoulement
La chaleur peut se diffuser de trois manières : par rayonnement, par conduction et par convection. Chacune de ces méthodes permet de refroidir le noyau de fer et les conducteurs du transformateur immergés dans l'huile, mais la convection est la méthode la plus importante. La convection repose sur la circulation naturelle générée par la différence de densité entre l’huile chaude et l’huile froide. La génération de convection dépend clairement de la viscosité de l’huile, le plus important est donc que l’huile du transformateur ait une faible viscosité. Parfois, la convection doit être forcée ou assistée par une pompe, mais la situation idéale est que l’huile elle-même génère une résistance minimale et une convection maximale.
De plus, une faible viscosité aidera l'huile à pénétrer dans les canaux d'huile étroits et favorisera la circulation de l'huile dans l'enroulement, afin d'éviter une surchauffe locale causée par une faible vitesse d'écoulement dans les zones où l'huile passe rarement.
L'imprégnation initiale s'effectue principalement par accélération de l'huile. Dans la région à intensité de champ élevée des transformateurs haute tension-, l'huile fine est suffisante pour traverser plusieurs couches d'isolation en papier.
Comme la plupart des autres liquides, la viscosité de l'huile minérale augmente avec la diminution de la température jusqu'à ce qu'elle devienne semi-solide. A ce stade, son efficacité de refroidissement est pratiquement nulle. Le point d’écoulement de l’huile est la température la plus basse à laquelle l’huile peut s’écouler. Pour les transformateurs fonctionnant dans des régions froides, même à la température la plus basse possible, l'huile ne peut pas atteindre un état semi-solide et doit avoir un point d'écoulement inférieur.
Même à des températures très basses, la viscosité de l'huile doit garantir que le flux d'huile ne soit pas obstrué lorsqu'il est nettement supérieur au point d'écoulement. Les réglementations techniques relatives à l'huile de transformateur précisent souvent la viscosité maximale de l'huile lorsque la température est nettement inférieure à la valeur de degré de température ambiante normale.
4. Volatilité et point d'éclair
D’une manière générale, la durée de vie attendue d’un transformateur est d’au moins 30 ans. Au cours de la durée de vie, la situation idéale n'est pas toujours de prendre en compte la perte d'huile causée par l'évaporation, et il n'est pas non plus permis de modifier la composition de l'huile en raison de la libération d'une grande quantité de composants légers. On espère donc que le pétrole aura une faible volatilité.
On peut constater que chaque fois que des produits pétroliers sont utilisés dans des équipements électriques, il existe dans une certaine mesure un risque caché d’incendie et d’explosion. Par conséquent, la température de fonctionnement de l’huile doit être bien inférieure au point d’éclair. D'un autre côté, lorsque le pétrole est contaminé par des gaz volatils, même si la quantité de gaz n'est pas très importante, il existe toujours un risque d'explosion si le pétrole est chauffé dans des conditions normales de fonctionnement.
Ce type de pollution s'est en effet produit dans le passé, car l'huile contenue dans le transformateur en fonctionnement était déchargée et placée dans des barils ou des réservoirs d'huile préalablement remplis de solvants volatils.
Certains types de défauts électriques peuvent également provoquer la dégradation des grosses molécules du pétrole, entraînant la production d’hydrocarbures volatils de faible poids moléculaire ou de gaz inflammables.
5. Stabilité chimique
Toutes les huiles de pétrole sont sensibles à l’invasion de l’oxygène de l’atmosphère. L’huile de transformateur ne fait pas exception, même si le degré d’invasion dépend de nombreux facteurs.
Pour le choix de l’huile ou plus précisément, la composition de l’huile utilisée et les différents facteurs contrôlant l’oxydation sont les stratégies les plus efficaces. Trois facteurs principaux sont impliqués dans l'oxydation : la température, l'oxygène et le catalyseur.
Le pétrole est composé de molécules d'hydrocarbures de poids moléculaire plus élevé, qui se décomposent facilement en substances volatiles plus légères, et la température de dégradation peut accélérer ce processus de dégradation. La situation idéale est qu'il ne devrait y avoir aucune détérioration dans la plage de température de fonctionnement normale, mais elle est difficile à éviter à des températures élevées lors de pannes.
6. Types d'huile
Depuis la fin du XVIIIe siècle, l'huile minérale est utilisée dans les installations électriques. Sebastian Ferrante, considéré comme le père des transformateurs, a reconnu la valeur de ces huiles en 1891. Par la suite, grâce à l'amélioration des méthodes de sélection et d'application, ainsi qu'à l'adoption de technologies de raffinage plus avancées, les propriétés de l'huile isolante ont été améliorées dans une certaine mesure. À l’heure actuelle, l’huile minérale constitue encore un composant important de nombreux équipements électriques.
Premièrement, il est important de comprendre les sources et la production de pétrole. Tous les types d’huile minérale proviennent du pétrole brut, qui serait le produit de la végétation souterraine en décomposition ou de l’eau et des carbures métalliques. L'American Society for Testing and Materials (ASTM) définit l'huile minérale D288 comme suit : L'huile minérale est un mélange naturel principalement composé d'hydrocarbures, qui est extrait du sol sous forme liquide ou peut être séparé. Le pétrole brut contient généralement différentes proportions d’autres composants tels que de l’eau, des substances inorganiques et des gaz. La seule séparation de ces composants ne modifiera pas l’état du mélange de pétrole brut. Si cette séparation affecte de manière significative la composition du mélange de pétrole brut, le produit obtenu n’est plus du pétrole brut. Le pétrole brut est extrait du monde entier, et la qualité et la composition du pétrole brut extrait de différentes zones géographiques ne diffèrent pas de manière significative. C'est un mélange complexe de molécules de carbone et d'hydrogène, avec une petite proportion de soufre et d'azote. Il existe trois types de molécules d'hydrocarbures : les alcanes, les cycloalcanes et les hydrocarbures aromatiques, chacun ayant sa propre structure moléculaire caractéristique. Il n’existe pas deux types de pétrole brut très similaires en termes de proportion de composés d’hydrocarbures contenus ou de quantité et de propriétés des produits extraits.
L'alcane le plus simple est le méthane, qui est un gaz, mais la longueur de la chaîne droite composée d'atomes de carbone est presque illimitée, ou en d'autres termes, les alcanes à chaîne ramifiée - isomères, avec des chaînes latérales attachées aux atomes de carbone de la chaîne principale, et il n'y a aucune restriction sur leur catégorie. Cependant, l’isobutane a une branche, qui se présente toutes deux sous forme de gaz naturel. Ce fait révèle la complexité des types de composés présents dans le pétrole.
Les cycloalcanes ont une structure cyclique à 6 atomes de carbone. Il existe également des cycloalcanes à cinq ou sept chaînons dans le pétrole brut, mais les cycles à six chaînons sont les plus courants. Les hydrocarbures aromatiques sont également des structures cycliques hexagonales, la principale différence étant que certains atomes de carbone sont reliés par des doubles liaisons, représentées par deux lignes sur la figure. Il s’agit de « l’insaturation » des hydrocarbures aromatiques, qui présentent généralement une forte réactivité. Il existe deux types d'hydrocarbures aromatiques : l'un est constitué d'hydrocarbures aromatiques à un seul cycle ou d'hydrocarbures aromatiques monocycliques ; Un autre type est celui des hydrocarbures aromatiques à deux cycles ou plus ou des hydrocarbures aromatiques polycycliques, parfois appelés PAC. Dans les huiles pour transformateurs et interrupteurs à base de pétrole, la teneur en hydrocarbures aromatiques varie, mais est généralement bien inférieure à celle des cycloalcanes ou des alcanes.
De multiples méthodes de classification du pétrole brut ont été proposées, la plus couramment utilisée étant basée sur les résidus de distillation, qui peuvent être divisés en quatre catégories : à base de paraffine, à base de bitume, mixtes ou intermédiaires et cycloalkyle. La composition connue du pétrole brut dans le monde est d’environ 7 % de pétrole à base de paraffine, 18 % (dont 5 % de cycloalkyle) de pétrole à base de bitume et 75 % de pétrole mélangé.
7. Raffinage du pétrole
Le pétrole brut doit subir une série de traitements physiques et chimiques pour produire des produits pétroliers finis. Une raffinerie typique est généralement conçue pour traiter une variété spécifique de pétrole brut afin de produire une série définie de produits finis. Ces dernières années, le développement des procédés de craquage, de reformage et de purification par hydrogénation a fait progresser l'industrie pétrolière, et il est désormais possible de produire des produits pétroliers finis « personnalisés », indépendants de la composition du pétrole brut. La classification du pétrole brut n’a donc plus la même signification pour le produit final.
Dans une raffinerie proposant une gamme complète de produits pétroliers raffinés, le pétrole brut est distillé à pression atmosphérique pour produire des fractions à faible point d’ébullition, qui sont ensuite raffinées en fioul et en solvants. Le résidu peut être distillé davantage sous vide pour obtenir des matières premières pour la production d’huiles électriques et lubrifiantes. Le résidu après distillation sous vide peut être utilisé pour produire du carburant, de l'asphalte et du goudron, en fonction de la qualité des matières premières et des exigences du produit.
Le distillat issu de l'étape de distillation sous vide doit être raffiné par un ou plusieurs processus principaux, tels que le raffinage par solvant, le raffinage de l'acide sulfurique, la filtration sur argile, le traitement d'hydrogénation, la re-distillation, la filtration et le traitement de déshydratation. Dans l’optique de produire du pétrole répondant aux exigences de qualité, la méthode de raffinage la plus économique doit être utilisée, ce qui dépend bien entendu du niveau de processus existant de la raffinerie. Le but du raffinage est d'éliminer ou de réduire la paraffine, le soufre, les oxydes d'azote et les hydrocarbures aromatiques.
Si l'on veut obtenir la viscosité souhaitée, les différentes fractions obtenues doivent être mélangées de manière appropriée. S'il n'y a qu'une seule fraction, il faut la distiller à nouveau. En principe, le raffinement du solvant dépend de la solubilité sélective de substances telles que la paraffine, les composés contenant du soufre-, les composés contenant de l'ammoniac et les hydrocarbures aromatiques dans le solvant sélectionné ; Le raffinage de l'acide sulfurique est la combinaison chimique d'acide sulfurique, de composés contenant du soufre - et d'hydrocarbures aromatiques ; Le filtre à l'argile blanche élimine les impuretés polaires restantes ; Le traitement par hydrogénation réduit les composés contenant du soufre-, les composés contenant de l'ammoniac et les hydrocarbures aromatiques. À l'heure actuelle, on estime que la filtration sur argile constitue une grave pollution pour l'environnement, car ce processus de raffinage produit une grande quantité de matériaux filtrants contaminés qui doivent être traités. Par conséquent, ce procédé est désormais rarement utilisé, mais du point de vue de la production d’une huile d’isolation électrique de la plus haute qualité, il reste la méthode préférée qui ne peut être comparée à d’autres méthodes.
Le traitement par hydrogénation est une méthode de raffinage nouvellement développée et largement utilisée, contrôlée par la température, la pression, le catalyseur, le temps et d'autres facteurs. Un traitement d'hydrogénation doux est communément appelé « conditionnement par hydrogénation » et peut être effectué après un ou plusieurs autres processus. Il peut éliminer le soufre et l'azote en convertissant les composés contenant du soufre-et de l'azote-en hydrocarbures. Un traitement d'hydrogénation intensif, également connu sous le nom de « raffinage par hydrogénation », peut être utilisé pour réduire le total des composés cycliques insaturés. Par exemple, lorsque le composé comportant le plus grand nombre de cycles réagit pour la première fois avec l’hydrogène, les hydrocarbures aromatiques sont convertis en cycloalcanes et alcanes.
Lors de la production d'huile isolante électrique, une attention particulière doit être accordée aux propriétés électriques, à la stabilité à l'oxydation et aux performances d'absorption des gaz dans des conditions appropriées (en particulier pour les câbles électriques, l'huile doit avoir de bonnes performances d'absorption des gaz). Cela nécessite une très faible teneur en soufre et en azote, ainsi qu'une teneur appropriée en hydrocarbures aromatiques.
8. Explication supplémentaire sur la classification des huiles
La teneur et la complexité des composés d’hydrocarbures qui composent le pétrole brut ont été présentées précédemment. Cette complexité rend difficile la description et la classification du pétrole en fonction de son origine. Une solution consiste à utiliser la méthode du système Brandes basée sur la technologie de spectroscopie infrarouge pour représenter la teneur totale en carbone d'un certain composé d'hydrocarbures en pourcentage, qu'il s'agisse d'un composé autonome ou d'un substituant sur un composé d'hydrocarbures ramifié.
9. Indicateurs techniques de l'huile isolante
Les performances de l’huile isolante comprennent une faible viscosité, un faible point d’écoulement, un point d’éclair élevé, une excellente stabilité chimique et une résistance électrique élevée. Il existe encore des propriétés moins importantes, mais malgré cela, il est important de les comprendre lors de la sélection des produits pétroliers. Ces propriétés comprennent une capacité thermique spécifique élevée, une conductivité thermique élevée, une bonne résistance aux chocs, une constante diélectrique élevée ou faible, une capacité d'absorption de gaz élevée ou faible, une faible solubilité, une faible densité, de bonnes performances d'extinction d'arc et une non-toxicité. Bien entendu, outre les diverses propriétés mentionnées ci-dessus, l’huile isolante doit également être bon marché et facile à acheter.
Il est évident qu’aucun liquide ne possèdera à lui seul toutes ces propriétés, et certaines exigences sont contradictoires. Par conséquent, un compromis est nécessaire et la conception de l’équipement doit tenir compte des inconvénients du pétrole.
Nous devrions explorer comment définir ces propriétés et comment tester l'huile selon la norme EN60296:2004. Le Royaume-Uni et la plupart des pays du monde utilisent encore cette norme. Par conséquent, la norme EN60296 doit être comparée à la norme britannique B5148:1998. Ceci est principalement basé sur le fait que le Royaume-Uni est toujours prêt à utiliser du pétrole sans antioxydants, tandis que d’autres pays dans le monde sont prêts à utiliser du pétrole contenant des oxydants. Bien que ce type de pétrole soit rarement utilisé au Royaume-Uni, il est largement utilisé dans les pays du monde entier. Par conséquent, cette section discutera en détail de l’huile additionnée d’antioxydants.
