Pourquoi l'hydrogène est-il un gaz clé pour la surveillance des transformateurs ?

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L'une des questions les plus fréquentes que nous recevons est : « Pourquoi l'hydrogène est-il le gaz clé pour la surveillance des transformateurs ? Qu'est-ce qui le rend si particulier ? » La réponse est à la fois simple et complexe, et elle est liée au comportement des liquides isolants en cas de défaut interne du transformateur.

La plupart des pannes de transformateurs ne sont pas soudaines. Elles ne surviennent pas du jour au lendemain. Elles se produisent progressivement et silencieusement¹ ^, et il y a rarement un signe extérieur d'un défaut ^{naissant² , ce qui les rend difficiles à détecter.}

Lorsqu'un défaut survient dans la cuve principale, il crée des sources de chaleur localisées. Cette chaleur décompose les molécules du liquide isolant, produisant des gaz combustibles, également appelés hydrocarbures. L'hydrogène est le premier gaz produit pour presque tous les types de défauts de transformateur : décharges partielles, surchauffe, arcs électriques et même défauts à basse énergie.

Sa présence indique donc les premiers stades de la dégradation de l'isolation et se produit avant que d'autres gaz de défaut ne deviennent détectables. Une étude de Bustamante datant de 2019 confirme ce constat : « L'hydrogène est présent, en quantités plus ou moins importantes, dans tous les défauts électriques et thermiques qui se produisent dans l'huile. »

Dans cette analyse, Bustamante partage un tableau publié dans la revue IEEE Transactions on Dielectric and Electrical Insulation (Volume : 2, Numéro : 6, décembre 2015) qui identifie les gaz générés au début d'un défaut.

Comme indiqué dans le tableau, l'hydrogène est le principal indicateur de défaut pour presque tous les types de défauts dans les transformateurs à isolation papier-huile. Il est systématiquement produit lors de la dégradation de l'isolation en cas de défauts électriques ou thermiques.

Cela fait de l'hydrogène un indicateur de panne clé fiable et à large spectre, contrairement à d'autres gaz qui ne sont produits ou liés qu'à des types de pannes spécifiques.

La mesure continue de l'hydrogène est donc l'outil de diagnostic manquant pour les transformateurs, ce qui en fait la clé pour éviter les pannes catastrophiques.

Comme on peut le constater sur le graphique ci-contre, une production d'hydrogène soudaine ou accélérée précède les pannes majeures des transformateurs, et dans cette étude de cas, le gestionnaire du réseau a pu éviter un événement catastrophique sur son transformateur de 24 MVA.

La surveillance continue de l'hydrogène présente d'autres avantages.

Les avantages de l'hydrogène ne se limitent pas à la détection précoce des pannes ; il permet également d'identifier les événements thermiques qui passent souvent inaperçus.

1. Il détecte les transformateurs dont le système de refroidissement fonctionne, mais de manière limite. Les transformateurs sont protégés contre la surchauffe, mais un fonctionnement prolongé juste en dessous des seuils de déclenchement peut passer inaperçu.
2. Un autre phénomène thermique souvent négligé est la présence d'harmoniques élevées qui provoquent un échauffement des noyaux de transformateurs. Avec la prolifération des onduleurs pour énergies renouvelables et systèmes de stockage d'énergie, ainsi que des variateurs de fréquence, les transformateurs situés dans les sections de réseau à forte teneur en harmoniques fonctionnent à des températures supérieures à celles prévues, et sans surveillance, il est difficile de détecter ce phénomène.

Du fait de sa génération précoce lors de la dégradation électrique, sa grande sensibilité aux décharges partielles et sa détection rapide dans l'huile, ainsi que la surveillance de l'hydrogène, restent essentielles pour identifier les défauts des transformateurs avant qu'ils ne dégénèrent en panne catastrophique.

Sources:

1. Neil Probert, Johnson & Phili
2. Un défaut naissant désigne un défaut à ses débuts, souvent caractérisé par des symptômes subtils ou mineurs, non immédiatement perceptibles. Ces défauts s'aggravent avec le temps, pouvant entraîner des problèmes plus graves, voire une panne complète, s'ils ne sont pas détectés et traités rapidement.

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).