Atténuer le vieillissement des transformateurs : la triade critique de la chaleur, de l'humidité et de l'oxygène

Le secteur de l’électricité est actuellement aux prises avec une triple menace ; les perturbations de la chaîne d’approvisionnement des transformateurs, la hausse des coûts et le vieillissement des transformateurs en service. Actuellement, les délais de livraison des gros transformateurs sont passés à 120 à 210 semaines (environ 4 ans), ce qui représente une forte augmentation par rapport aux délais de livraison potentiels de 30 à 60 semaines avant la pandémie. Dans le même temps, les prix des matières premières ont fait grimper les prix des transformateurs de 60 à 80 % en moyenne depuis janvier 2020 (en fonction de la taille et de l’application).

Pour aggraver cette crise, l'âge moyen des grands transformateurs de puissance (LPT) en service aux États-Unis est de 38 ans, soit proche, voire dépassé, de leur durée de vie nominale, selon une étude réalisée en 2020 par le ministère américain du Commerce. Dans ce contexte, prolonger la durée de vie des transformateurs existants grâce à une surveillance et une maintenance minutieuses est devenu de plus en plus crucial.

Les services publics et les entreprises souhaitant prolonger la durée de vie des transformateurs afin de préserver leurs biens d’équipement et de protéger le réseau électrique devraient prendre en compte trois facteurs principaux qui accélèrent le vieillissement des transformateurs : la chaleur, l’humidité et l’oxygène. La compréhension et la gestion de ces éléments peuvent prolonger considérablement la longévité et la fiabilité des transformateurs, allégeant potentiellement une partie de la pression sur la chaîne d'approvisionnement tendue.

La triade vieillissante : chaleur, humidité et oxygène

Chaleur : l'accélérateur silencieux

• La température joue un rôle crucial dans le vieillissement des transformateurs. Selon une source universitaire qui a publié un guide sur la maintenance appliquée aux transformateurs d'un demi-siècle, une augmentation de 10°C de la température supérieure de l'huile double la vitesse des réactions d'oxydation des hydrocarbures. Cette accélération se produit indépendamment de la présence d’autres facteurs, ce qui souligne l’importance du contrôle de la température.
• La chaleur a non seulement un impact direct sur la rupture de l’isolation, mais affecte également indirectement l’efficacité du refroidissement. À mesure que l’huile de transformateur vieillit et s’oxyde, elle développe des acides et des boues, augmentant ainsi sa viscosité. Cet épaississement réduit la capacité de l'huile à transférer efficacement la chaleur du noyau aux parois du réservoir, ce qui fait que le transformateur chauffe plus et travaille plus fort, accélérant encore le processus de vieillissement.

L'humidité : la menace omniprésente

• L'humidité dans les transformateurs est un défi persistant. Il peut provenir de diverses sources, notamment un séchage inadéquat en usine, une installation incorrecte, un séchage insuffisant de l'huile neuve lors de la mise en service, une dégradation de la cellulose (isolant en papier) et une pénétration dans l'environnement due à de mauvaises pratiques de fabrication ou de maintenance.
• De l'eau, chimiquement liée à l'huile et à l'isolation en papier, peut être libérée pendant le fonctionnement. À mesure que l’huile s’oxyde avec le temps, elle peut créer un excès d’eau ainsi que d’autres produits de désintégration par oxydation. La présence d’humidité accélère les processus d’oxydation et la dégradation de l’isolation en huile et en papier.

L'oxygène : une considération secondaire

• Même si l'oxygène joue un rôle dans le vieillissement des transformateurs, sa mesure directe n'est souvent pas aussi critique que la surveillance de la chaleur et de l'humidité. À des températures maximales de 70 °C ou plus, l’huile peut commencer à s’oxyder même en l’absence d’oxygène libre, ce qui souligne à quel point la chaleur est le principal catalyseur de ce processus. De plus, la pénétration d’oxygène est souvent le symptôme d’une mauvaise étanchéité ou de problèmes d’entretien, qui sont généralement détectés en premier grâce à la surveillance de l’humidité.
• Les huiles de transformateur contiennent des inhibiteurs naturels qui réagissent avec l'oxygène. Des tests réguliers des niveaux d'inhibiteurs lors de l'analyse annuelle de l'huile peuvent indiquer une pénétration d'oxygène. Si les niveaux d’inhibiteurs diminuent rapidement, cela suggère une présence plus élevée d’oxygène.

La question demeure de savoir comment les services publics et les ingénieurs électriciens peuvent surveiller ces trois facteurs de vieillissement sur l’ensemble de leur parc de transformateurs.

Capteurs d'hydrogène à double fonction pour la surveillance de la chaleur et de l'humidité

Le Moniteur multi-sens GRIDSCAN™ 6000 de H2scan se concentre sur la mesure de la chaleur et de l'humidité, afin de fournir un moyen rentable et efficace de gérer les problèmes liés à l'oxygène. En surveillant de près les niveaux de température et d’humidité, de nombreux problèmes associés à l’oxygène peuvent être résolus de manière préventive, éliminant ainsi le besoin d’une mesure directe de l’oxygène dans de nombreux cas.

La conception du transformateur joue également un rôle dans la gestion de l’oxygène :

• Transformateurs à respiration libre : saturés d'air, ils contiennent généralement environ 30,000 XNUMX ppm d'oxygène.
• Transformateurs scellés à couverture d'azote : environ 3,000 XNUMX ppm d'oxygène
• Transformateurs remplis de vide avec un système continu de N2 : aussi bas que 300 ppm d'oxygène

Les pratiques de conception et de maintenance du transformateur sont importantes pour limiter le taux d’oxydation. De nombreux transformateurs scellés sont devenus des « respirateurs libres » en raison de divers facteurs tels que des fuites, une mauvaise installation et des joints détériorés qui permettent à l’oxygène et à l’humidité de pénétrer dans le transformateur. Les systèmes de préservation de l'huile tels qu'un système continu de N2 ou un conservateur doté d'une bonne vessie aident à contrôler la pénétration de l'oxygène et de l'humidité.

Pratiques d'entretien pour la longévité

Voici quelques conseils pour les opérateurs souhaitant prolonger la durée de vie du parc de transformateurs :

• Inspections visuelles régulières sont cruciaux pour identifier rapidement les problèmes potentiels. Ces inspections doivent inclure la recherche de fissures dans les soudures, en particulier sur les radiateurs, l'inspection et le remplacement des joints si nécessaire et l'identification et le traitement rapide des fuites.
• Gestion de la qualité du pétrole est un autre aspect critique de la maintenance des transformateurs. Des tests réguliers de qualité de l’huile (acidité, tension interfaciale, couleur, nombre de particules) doivent être effectués. Lorsque la qualité se détériore, la récupération du pétrole doit être envisagée, le remplacement du pétrole étant une option dans les cas graves tels que la présence de soufre corrosif.
• Gestion de la charge est essentiel pour éviter la surchauffe. La charge du transformateur doit être surveillée et gérée, avec une réduction de charge envisagée si des températures élevées constantes sont observées.
• Gestion des inhibiteurs implique de tester et de maintenir des niveaux adéquats d’inhibiteurs d’oxydation comme le 2,6 ditertiaire-butyl parcrésol (DBPC). L'ajout d'un inhibiteur, la réinhibition, si nécessaire, peuvent protéger l'isolation contre la dégradation liée à l'oxygène en réagissant avec l'oxygène présent dans l'huile.
• Contrôle de l'humidité est crucial et implique de remédier rapidement aux fuites et aux points d’entrée, ainsi que de mettre en œuvre des procédures de séchage lorsque les niveaux d’humidité dépassent les limites acceptables.

Si l’on considère la triple menace à laquelle est confronté le secteur de l’énergie, dans cet environnement difficile, le moniteur Multi-Sense GRIDSCAN 6000 peut aider à répondre à ces préoccupations. En se concentrant sur les deux facteurs les plus critiques – la température et l'humidité – ce système permet aux services publics de surveiller davantage de transformateurs dans leur parc pour un coût identique ou similaire à celui de la surveillance d'un seul transformateur avec des systèmes plus complets. Cette couverture plus large est particulièrement cruciale compte tenu de l’âge moyen des gros transformateurs de puissance (38 ans) et de la nécessité de prolonger leur durée de vie opérationnelle. Bien que des solutions complètes d'analyse de gaz, y compris la mesure de l'oxygène, soient disponibles, leurs coûts prohibitifs peuvent limiter un déploiement à grande échelle, laissant potentiellement des actifs critiques sans surveillance.

Une gestion efficace des transformateurs ne nécessite pas nécessairement une mesure directe des trois facteurs de vieillissement (chaleur, humidité et oxygène). En surveillant stratégiquement la température et l'humidité avec le moniteur multi-sens GRIDSCAN 6000, combiné à des pratiques de maintenance proactives et à une évaluation indirecte de l'oxygène, les services publics et les ingénieurs électriques peuvent prolonger considérablement la durée de vie du transformateur. Cette approche, associée à des stratégies de maintenance complètes, permet de garantir efficacement la longévité et la fiabilité de ces actifs critiques sur l'ensemble d'une flotte, améliorant ainsi la résilience et les performances globales du réseau.

H2scan est l'un des principaux développeurs et fabricants de capteurs d'hydrogène haute performance pour la gestion du parc de transformateurs, le traitement de l'hydrogène et la surveillance de la sécurité.