Pourquoi l'huile est-elle utilisée dans les transformateurs immergés de 11 kV ? Rôles clés expliqués

Dans les réseaux mondiaux de distribution d'énergie, 11kVtransformateurs immergés dans l'huilesont les équipements de transformation de puissance dominants. Ils sont largement déployés dans les réseaux de distribution urbains, les parcs industriels, l’intégration des réseaux photovoltaïques et éoliens, l’électrification rurale et les projets EPC à l’étranger. De nombreux acheteurs, ingénieurs électriciens et maîtres d'œuvre se posent une question fondamentale mais cruciale : pourquoi de tels transformateurs moyenne tension sont-ils remplis d'huile isolante au lieu d'air ou d'autres matériaux isolants solides ?
L’huile isolante n’est pas simplement un simple agent de remplissage. C'est un matériau fonctionnel indispensable à l'intérieur de 11kVtransformateurs immergés dans l'huile, qui détermine directement la capacité de dissipation thermique, les performances d'isolation, la durée de vie de l'équipement et la stabilité opérationnelle. Les transformateurs de type sec dépendent de l'air et de la résine époxy pour l'isolation, tandis que les transformateurs immergés dans l'huile adoptent une huile isolante minérale (ou une huile ester synthétique) pour remplir plusieurs fonctions simultanément. Cet article développe les rôles principaux de l'huile isolante dans les transformateurs immergés dans l'huile de 11 kV, compare les avantages et les limites des solutions immergées dans l'huile, présente les types courants d'huile isolante, les critères d'acceptation de qualité et les directives de maintenance. Il fournit des références techniques professionnelles aux visiteurs de sites Web indépendants, aidant ainsi les professionnels de l'énergie à prendre des décisions éclairées lors de la sélection des projets, de l'acceptation des équipements et de la maintenance quotidienne.

À l'intérieur d'un transformateur de 11 kV se trouvent des pièces sous tension telles que des enroulements haute tension, des enroulements basse tension et un noyau de fer, ainsi que des composants mis à la terre. Une isolation fiable entre les composants est nécessaire pour éviter les pannes et les courts-circuits. L'air a une capacité isolante limitée et est sujet aux décharges électriques dans des espaces étroits, sous des champs électriques élevés et dans des conditions humides. L’huile isolante pour transformateur présente une rigidité diélectrique élevée. Il comble tous les petits espaces entre le noyau de fer et les enroulements, expulse complètement l'air, isole efficacement les enroulements haute tension des enroulements basse tension et sépare les enroulements du noyau de fer mis à la terre et de la coque du réservoir d'huile.
Lorsque le transformateur résiste à la tension à fréquence industrielle et à la tension de choc de foudre, l'huile isolante supprime la concentration du champ électrique local et réduit les risques de décharge partielle. Selon la norme CEI 60156, une nouvelle huile isolante minérale qualifiée doit atteindre un niveau de tension de claquage spécifié pour garantir un fonctionnement sûr dans des conditions de tension nominale et de surtension temporaire. Si l’huile isolante devient humide, contaminée ou vieillie, sa tension de claquage chutera rapidement et le risque de rupture de l’isolation interne augmentera fortement. C'est la raison fondamentale pour laquelle les transformateurs immergés dans l'huile nécessitent des tests réguliers de tension de tenue à l'huile.

Pendant le fonctionnement du transformateur, la perte par hystérésis et la perte par courants de Foucault du noyau de fer ainsi que la perte de charge de l'enroulement génèrent continuellement de la chaleur. Les températures élevées sont la principale cause du vieillissement des isolants solides. Si la chaleur ne peut pas être dissipée à temps, l'isolation des enroulements se détériorera rapidement, raccourcissant la durée de vie du transformateur et conduisant même à un grillage de l'équipement dans les cas graves.
L'huile isolante a une conductivité thermique favorable et forme une circulation interne par circulation naturelle d'huile (ONAN) ou refroidissement par air forcé (ONAF). L'huile isolante chauffée près du noyau de fer et des enroulements a une densité plus faible et s'écoule vers le haut. La chaleur est transférée à la paroi du réservoir et aux radiateurs, tandis que l'huile refroidie redescend vers le bas pour évacuer continuellement la chaleur des sources de chaleur. Ce système de refroidissement par circulation d'huile présente une structure simple et une efficacité d'échange thermique élevée. Comparé au refroidissement par air, le refroidissement par huile peut prendre en charge une plus grande capacité avec un encombrement réduit, ce qui est l'une des principales raisons pour lesquelles les transformateurs de distribution de grande capacité préfèrent une conception immergée dans l'huile.

Le papier isolant enroulé autour des enroulements du transformateur est une matière organique. Il s'oxydera progressivement et deviendra cassant sous l'effet d'une exposition à haute température et à l'oxygène, perdant ainsi sa capacité d'isolation. Une fois le réservoir d'huile rempli d'huile isolante, l'oxygène et l'humidité peuvent être isolés pour protéger l'isolation du papier d'enroulement. L'huile isolante peut dissoudre une petite quantité d'oxygène, réduire les réactions d'oxydation de l'isolation en papier, ralentir le vieillissement de l'ensemble du système d'isolation et prolonger la durée de vie globale du transformateur.
Parallèlement, l'huile isolante recouvre les composants métalliques et réduit le risque de corrosion oxydative sur les surfaces métalliques du noyau de fer et des enroulements. Il convient de noter que cet effet protecteur n’est pas permanent. Au cours d'un fonctionnement à long terme, l'huile isolante s'oxyde lentement et produit des acides organiques et des boues d'huile. Les boues d'huile adhèrent aux enroulements et aux surfaces des radiateurs, entravant la dissipation de la chaleur et accélérant encore la dégradation des équipements. Par conséquent, les transformateurs immergés dans l’huile nécessitent une détection régulière de l’indice d’acide et de la teneur en humidité. Une filtration de l'huile ou un remplacement de l'huile est nécessaire si nécessaire.

Une autre valeur clé souvent négligée de l’huile isolante est son rôle de moyen de diagnostic des pannes. Lorsque des défauts latents tels qu'une surchauffe locale, des arcs électriques et des décharges entre spires se produisent à l'intérieur du transformateur, une température élevée déclenche la décomposition thermique de l'huile isolante et génère des gaz caractéristiques, notamment de l'hydrogène, du méthane et de l'acétylène. Ces gaz se dissolvent dans l'huile isolante. Les techniciens de maintenance effectuent une analyse des gaz dissous (DGA) en collectant des échantillons d'huile pour tester la composition et la concentration des gaz dissous. Les dangers latents peuvent être identifiés avant que les défauts ne se transforment en accidents graves de court-circuit.
Il s’agit d’un avantage diagnostique unique des transformateurs immergés dans l’huile. Les transformateurs de type sec permettent difficilement d'effectuer un échantillonnage pour obtenir les caractéristiques des défauts internes. En revanche, les transformateurs immergés dans l’huile réalisent une alerte précoce non intrusive en s’appuyant sur l’huile isolante, réduisant considérablement les risques de pannes de courant soudaines et de dommages aux équipements. Le relais Buchholz agit également sur les mélanges pétrole-gaz générés par des défauts pour déclencher des alarmes ou une protection contre le déclenchement, et ce mécanisme de protection repose sur le système d'huile isolante.

Huile isolante minérale : le type le plus largement adopté sur le marché avec un coût modéré et des performances diélectriques et thermiques stables, conforme à la norme CEI 60296. La plupart des transformateurs de distribution 11 kV conventionnels utilisent de l'huile minérale. Son inconvénient est l'inflammabilité. Des systèmes de protection contre l'incendie sont nécessaires lorsqu'ils sont utilisés dans des pièces fermées et des zones densément peuplées.
Huile d'ester synthétique et huile d'ester naturelle : huiles isolantes biodégradables respectueuses de l'environnement avec un point d'éclair élevé et un faible risque d'incendie. Les fuites entraînent moins de pollution du sol et des plans d’eau. Ils sont largement utilisés dans les salles de distribution d'énergie souterraines urbaines, les quartiers résidentiels, les zones de protection des sources d'eau et d'autres projets soumis à des exigences strictes en matière de sécurité incendie et d'environnement. L’inconvénient est un coût d’approvisionnement plus élevé que celui de l’huile minérale.
La sélection doit être entièrement déterminée en fonction de l'environnement d'installation, des codes de prévention des incendies, des normes de réseau locales et du budget du projet.

L’adoption d’une huile isolante présente également des inconvénients. Il existe un risque de fuite d'huile isolante, qui peut être provoqué par le vieillissement des soudures du réservoir et des joints d'étanchéité. L'huile minérale est inflammable et des mesures de protection incendie doivent être prises. L’huile isolante se dégrade avec le temps et des tests réguliers de qualité de l’huile sont obligatoires.
Les principales tâches d'entretien quotidiennes comprennent la surveillance du niveau d'huile et la vérification des fuites du réservoir ; échantillonnage régulier de l'huile pour les tests de tension de claquage, d'humidité, d'indice d'acide et de DGA ; garder les radiateurs propres pour garantir la circulation de la chaleur ; maintenir les reniflards pour minimiser la pénétration d’humidité dans le réservoir. Avec maintenance standardisée, 11kVtransformateurs immergés dans l'huilepeut fonctionner de manière stable pendant des décennies.

Pour résumer, l'huile isolante remplit quatre fonctions essentielles en 11 kVtransformateurs immergés dans l'huile: agissant comme un moyen d'isolation haute tension, faisant circuler et évacuant la chaleur, protégeant l'isolation solide interne contre le vieillissement et servant de moyen de détection des défauts internes latents. Combinés, ces quatre avantages font des transformateurs immergés dans l'huile l'option principale pour les applications de distribution mondiale de 11 kV en raison de leur grande fiabilité, de leur excellente dissipation thermique et de leur coût avantageux.
Néanmoins, les performances de l’huile isolante se détériorent avec la durée de fonctionnement, la température et l’humidité ambiantes et le niveau de contamination. Les praticiens des projets électriques doivent comprendre le principe de fonctionnement de l'huile isolante et attacher de l'importance aux tests périodiques de qualité de l'huile, afin d'utiliser pleinement les avantages de performance des transformateurs immergés dans l'huile et d'assurer une alimentation électrique stable à long terme des réseaux de distribution.