Causes des pannes des transformateurs de puissance dans les applications industrielles

Les transformateurs de puissance sont essentiels aux opérations industrielles, régulant les niveaux de tension pour assurer la distribution efficace de l'électricité pour divers processus. Leur fiabilité est essentielle, car les pannes peuvent entraîner des temps d'arrêt coûteux, des dommages matériels et des risques pour la sécurité. Cependant, les transformateurs sont sensibles aux défauts électriques, aux contraintes thermiques, à l'usure mécanique, aux conditions environnementales et à une maintenance inadéquate, qui peuvent tous compromettre les performances. Ce blog explore ces principales causes de défaillance et leur impact sur les environnements industriels, en fournissant des informations sur les stratégies d'atténuation des risques qui peuvent améliorer la longévité des transformateurs et prévenir les pannes imprévues.

Défauts électriques

Les défauts électriques sont parmi les causes les plus courantes de défaillance des transformateurs dans les applications industrielles. Ces défauts peuvent survenir pour plusieurs raisons :

• Conditions de surtension : Les transformateurs de puissance sont conçus pour gérer des niveaux de tension spécifiques. Cependant, des événements tels que la foudre, les surtensions de commutation ou les perturbations du réseau peuvent entraîner des surtensions qui dépassent la capacité d'isolation du transformateur. Cela peut provoquer une rupture de l'isolation et une défaillance ultérieure.
• Courts-circuits et défauts à la terre : Les courts-circuits, qu'ils soient entre phases ou entre phases et terre, peuvent générer des courants excessifs qui provoquent un échauffement localisé dans les enroulements du transformateur. Au fil du temps, cet échauffement peut dégrader l'isolation et entraîner une panne. Les défauts de terre peuvent également entraîner des conséquences similaires, en particulier dans les systèmes avec une mise à la terre faible ou des mécanismes de protection médiocres.
• Harmoniques et transitoires : Les environnements industriels génèrent souvent des harmoniques électriques en raison du fonctionnement des variateurs de fréquence, des gros moteurs et d'autres charges non linéaires. Ces harmoniques peuvent provoquer un échauffement et une contrainte supplémentaires sur les enroulements du transformateur.
• Surtensions transitoires : tels que ceux provenant de la commutation de condensateurs ou de l'élimination de défauts, peuvent également solliciter l'isolation, entraînant une défaillance au fil du temps.

Stress thermique

Les transformateurs génèrent de la chaleur pendant leur fonctionnement qui doit être gérée efficacement pour éviter le stress thermique :

• Surcharge: L'utilisation d'un transformateur au-delà de sa capacité nominale provoque un échauffement excessif. Même si la surcharge est intermittente, l'effet cumulatif peut accélérer le vieillissement de l'isolation et entraîner une défaillance prématurée.
• Harmoniques excessives : Les harmoniques créent des courants circulants (fougaux) dans le noyau du transformateur, ce qui entraîne un échauffement même lorsque le transformateur n'est pas entièrement chargé. La surveillance et le filtrage du contenu harmonique atténuent cette cause de vieillissement prématuré.
• Pannes du système de refroidissement : Les transformateurs utilisent des systèmes de refroidissement, comme la circulation d'huile ou le refroidissement par air forcé, pour dissiper la chaleur. Les défaillances de ces systèmes, qu'elles soient dues à des défauts mécaniques, à des fuites de liquide de refroidissement ou à des problèmes de ventilateur, peuvent entraîner une surchauffe. Un fonctionnement prolongé à des températures élevées dégrade l'isolation du transformateur et peut provoquer des pannes catastrophiques.
• Variations de température ambiante : Les transformateurs industriels fonctionnent souvent dans des environnements où les températures ambiantes fluctuent. Les variations de température peuvent réduire l'efficacité de refroidissement du transformateur, ce qui a un impact sur la circulation et la capacité du transformateur à dissiper la chaleur. Les changements saisonniers de température peuvent affecter le processus naturel de cyclage thermique dans les transformateurs de puissance. Ces effets sollicitent les systèmes d'isolation et d'autres composants.

Problèmes mécaniques

Les problèmes mécaniques surviennent souvent en raison de contraintes physiques, de défauts de fabrication ou d’accidents opérationnels :

• Déformations d'enroulement : En fonctionnement, les forces électromagnétiques peuvent provoquer un léger déplacement des enroulements. Au fil du temps, ce mouvement peut entraîner une déformation, réduisant la capacité du transformateur à résister aux forces de court-circuit. Les chocs mécaniques, tels que ceux dus au transport ou à l'installation, peuvent provoquer une déformation des enroulements, entraînant des défauts internes.
• Desserrage du noyau et vibrations : Le noyau d'un transformateur est essentiel à son bon fonctionnement. Cependant, les vibrations mécaniques, qu'elles proviennent de sources externes ou de problèmes internes, peuvent entraîner le desserrage du noyau. Un noyau desserré peut créer des points chauds, réduire l'efficacité et éventuellement provoquer une panne.
• Faiblesses structurelles : De mauvaises pratiques de fabrication, comme un serrage incorrect des enroulements, des fixations desserrées ou une conception inadéquate, peuvent entraîner des faiblesses structurelles dans un transformateur. Ces faiblesses peuvent ne pas être immédiatement apparentes, mais peuvent entraîner des défaillances sous contrainte opérationnelle.

Conditions environnementales

Les facteurs environnementaux peuvent avoir un impact significatif sur les performances du transformateur :

• Pénétration d'humidité : Les transformateurs sont conçus pour fonctionner dans un environnement sec, mais l'humidité peut pénétrer par les joints, les garnitures ou par la condensation. L'humidité réduit la rigidité diélectrique de l'isolant (et le vieillissement prématuré du papier), ce qui entraîne des décharges partielles et une défaillance éventuelle.
• Contaminants et pollution : Les environnements industriels exposent souvent les transformateurs à des polluants tels que la poussière, la saleté et les produits chimiques. Ces contaminants peuvent accélérer le vieillissement en dégradant l'isolation ou en obstruant les systèmes de refroidissement, ce qui entraîne une surchauffe.
• Corrosion: La corrosion est un problème majeur dans les environnements à forte humidité, au sel ou exposés aux produits chimiques. Elle peut affecter les composants métalliques du transformateur, entraînant des fuites, un affaiblissement structurel et une défaillance éventuelle. Des revêtements protecteurs et un entretien régulier sont essentiels pour atténuer ce risque.

Mauvais entretien 

Un entretien régulier est essentiel pour la longévité des transformateurs de puissance :

• Manque d’inspections de routine : Les inspections de routine permettent d'identifier les problèmes potentiels avant qu'ils ne deviennent graves. Sans inspections régulières, des problèmes tels que la dégradation de l'huile, l'usure de l'isolation ou les défauts mécaniques peuvent passer inaperçus jusqu'à ce qu'ils provoquent une panne.
• Réparations et mises à niveau incorrectes : L'utilisation de pièces non standard ou de techniques de réparation inappropriées peut compromettre la fiabilité du transformateur. Une mise à niveau non autorisée peut introduire de nouveaux modes de défaillance, en particulier si elle n'est pas effectuée conformément aux directives du fabricant.
• Systèmes de surveillance inadéquats : Les systèmes de surveillance modernes, tels que l'analyse des gaz dissous (DGA) et la thermographie, fournissent des informations précieuses en temps réel sur l'état des transformateurs. S'appuyer uniquement sur des inspections manuelles sans intégrer ces technologies peut conduire à des problèmes non détectés, augmentant ainsi le risque de défaillance.

Études de cas et exemples concrets de défaillances de transformateurs industriels

L'examen des défaillances réelles des transformateurs fournit des informations sur les facteurs contributifs et les mesures préventives :

• Étude de cas 1 : Défaillance d’un transformateur due à une surcharge : Une installation industrielle a connu une panne de transformateur après avoir fait fonctionner celui-ci en permanence à 120 % de sa capacité nominale. La surcharge a entraîné une dégradation de l'isolation, provoquant finalement une panne catastrophique. L'installation a mis en place des pratiques de gestion de la charge plus strictes et a opté pour un transformateur de plus grande capacité. Une surveillance continue du DGA aurait pu détecter la dégradation plus tôt et éviter le résultat.
• Étude de cas 2 : Impact environnemental sur la longévité des transformateurs : Un transformateur situé dans une zone industrielle côtière est tombé en panne en raison d'une corrosion sévère causée par l'exposition au sel. Les inspections régulières et l'application de revêtements protecteurs se sont avérées insuffisantes. Après la panne, l'usine a installé des transformateurs avec une résistance accrue à la corrosion et des protocoles de maintenance améliorés.

Il est essentiel de comprendre les causes des pannes des transformateurs de puissance dans les applications industrielles pour améliorer la fiabilité et éviter les temps d'arrêt coûteux. Les principales causes sont les pannes électriques, les contraintes thermiques, les problèmes mécaniques, les conditions environnementales et une maintenance inadéquate. La mise en œuvre de mesures préventives telles que des inspections régulières, une maintenance appropriée, des contrôles environnementaux et une surveillance continue peut réduire considérablement le risque de panne des transformateurs.

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Références

• Norme IEEE C57.91-2011, « Guide de chargement des transformateurs immergés dans l'huile minérale ».
• PM Anderson et AA Fouad, « Contrôle et stabilité du système électrique », Wiley-IEEE Press, 2002.
• DK Paliwal, « Défaillances des transformateurs, causes et remèdes », Power Systems Engineering Research Center, 2003.

À propos de l'auteur : Traci Hopkins

Traci Hopkins a débuté son parcours dans le domaine de la fiabilité de l'énergie électrique en juin 2012 en tant que formatrice adjointe dans divers départements de formation et d'éducation sur les technologies des transformateurs. Peu après, elle a occupé le poste de coordinatrice des analyses diagnostiques pour le marché international, tout en continuant à soutenir la formation et l'éducation lors d'événements internationaux. En 2022, elle a rejoint H2scan en tant que directrice des ventes pour l'Amérique latine, chargée de promouvoir la détection d'hydrogène dans de nombreux secteurs. Traci a obtenu les certifications de formation CRL, MTMP, MTRP et DPS. Traci est également membre senior de l'IEEE PES, de l'Association of Asset Management Professionals et de WIRAM (Women in Reliability and Asset Management).