Séries OTS PB et OTS AF d’équipements de test d’huile isolante

En termes simples, un essai de tension de claquage est une mesure de la contrainte électrique qu’une huile isolante peut supporter sans claquage. Le test est effectué à l’aide d’une cuve de test à l’intérieur de laquelle sont fixées deux électrodes éloignées l’une de l’autre. Un échantillon de l’huile à tester est versé dans la cuve et une tension CA est appliquée aux électrodes. Cette tension est augmentée jusqu’à ce que l’huile « claque », c’est-à-dire jusqu’à ce qu’une étincelle passe entre les électrodes. La tension de test est alors immédiatement coupée. La tension à laquelle le claquage se produit correspond au résultat de test. Elle est habituellement évaluée en se référant aux directives de différentes normes ou aux spécifications du fabricant de l’huile.

La méthode exacte d’exécution de l’essai est déterminée par la norme utilisée. La norme définit généralement des paramètres tels que la taille et la forme des électrodes, l’espace entre celles-ci, la vitesse d’augmentation de la tension de test, le nombre de répétitions du test, et si oui ou non l’huile doit être agitée pendant l’essai.

Plusieurs types d’organisation peuvent tirer avantage des essais sur les huiles de transformateur. Citons par exemple:

• les prestataires de services publics (principalement dans les postes électriques)
• les entreprises de services publics (principalement dans les centrales électriques et les postes électriques)
• les entreprises ferroviaires (transformateurs abaisseurs HT de locomotive et appareillage de connexion)
• les laboratoires de tests d’huile (proposant des services de test)
• les fabricants de transformateurs et d’appareillages de connexion (contrôle de la qualité de l’huile)
• les compagnies pétrolières (essai de nouvelles huiles pendant la production)
• l’industrie lourde et manufacturière (programmes de maintenance des équipements)

Alors que le terme générique « huile » est presque universellement utilisé pour décrire des isolants liquides, il existe actuellement cinq types d’isolants liquides distincts utilisés couramment :

• Huiles minérales
• Hydrocarbures liquides à poids moléculaire élevé (HMWH)
• Liquides à base de silicone
• Liquides à base d’ester synthétique
• Liquides à base d’ester naturel (huile végétale)

La tension de claquage de tous ces types d’huile peut être testée avec les spintermètres OTS de Megger. L’huile minérale est le liquide isolant le plus courant et est utilisée depuis la fin du 19e siècle. De nombreux transformateurs remplis d’huile minérale ont été utilisés en continu pendant plus de 50 ans. Les huiles minérales sont raffinées à partir de pétrole brut naphténique, ou plus récemment à partir de pétrole brut paraffinique.

Les HWMH et les liquides à base de silicone, d’ester synthétique et d’ester naturel sont plus récents et sont souvent privilégiés, car ils sont beaucoup moins inflammables que l’huile minérale. Selon la norme ASTM D5222, pour que des isolants liquides soient qualifiés de « moins inflammables », ils doivent avoir un point d’inflammation d’au moins 300 ºC.

Les cinq liquides diffèrent largement par la manière dont ils se comportent en présence d’humidité. L’huile minérale est la moins satisfaisante, puisque même de l’eau en petites quantités va réduire considérablement sa tension de claquage. Les liquides à base de silicone sont eux aussi rapidement affectés par de faibles niveaux d’humidité, alors que les liquides à base d’ester se comportent très bien en présence d’humidité et peuvent généralement maintenir une tension de claquage supérieure à 30 kV avec une teneur en eau de plus de 400 ppm. C’est l’une des raisons pour lesquelles les esters ont une durée de service plus longue.

La norme CEI 60156 est une norme internationale qui apparaît sous de nombreuses formes, étant donné qu’elle a été adoptée par des comités nationaux membres de la CEI de divers pays. On peut citer par exemple la norme britannique BS EN 60156 et la norme allemande VDE 0370 partie 5. La norme CEI 60156 préconise l’utilisation d’électrodes sphériques ou en forme de champignon, identiques à celles utilisées dans la norme ASTM D1816. La norme CEI diffère de plusieurs manières de la norme D1816, mais la principale différence est que la norme CEI permet l’utilisation en option d’un agitateur à hélice, l’utilisation d’un aimant agitateur ou encore l’absence d’utilisation d’un agitateur. La norme stipule qu’aucune différence statistiquement importante entre les essais avec et sans agitateur n’a été constatée. L’utilisation d’un agitateur magnétique n’est autorisée que lorsqu’il n’existe aucun risque d’enlever des particules magnétiques de l’échantillon d’huile en cours d’essai. Une huile qui est utilisée comme liquide de refroidissement, et qui est donc en circulation, sera remuée pendant l’essai. En règle générale, par exemple, l’huile du transformateur circule lorsqu’elle est utilisée comme liquide de refroidissement. L’échantillon d’huile d’un transformateur doit donc être remué pour garantir les meilleures chances de détecter une contamination par des particules. L’huile d’un disjoncteur est normalement statique, les particules tombent donc naturellement au fond de la cuve, là où elles sont peu susceptibles de provoquer un problème. Dans des applications dans lesquelles l’huile est statique, il est donc généralement inutile de remuer l’échantillon d’huile. 

Les valeurs de claquage obtenues avec la méthode de la norme CEI 60156 sont généralement plus élevées que celles obtenues avec les méthodes de l’ASTM. Cette hétérogénéité s’explique en partie par la différence de vitesse d’augmentation de la tension et d’écartement des électrodes par rapport à la norme D1816, et de la forme des électrodes par rapport à la norme D877 (la forme des électrodes de la norme CEI offre un champ électrique plus uniforme). Sur des transformateurs bien entretenus, les tensions de claquage peuvent donc être supérieures à celles pouvant être atteintes par un instrument de test de 60 kV. Le fait de ne pas pouvoir mesurer une tension de claquage supérieure à 60 kV ne constitue pas forcément un problème lors de l’évaluation d’une huile neuve d’un fournisseur, ou bien d’une huile en service. Mais la valeur réelle de la tension de claquage est souvent requise. Par conséquent, pour réaliser des tests conformément à la norme CEI 60156, il est recommandé d’utiliser un instrument capable d’appliquer une tension plus élevée. Comme dans la norme D1816, les gaz dissous présents dans l’échantillon d’huile peuvent réduire les valeurs de claquage, mais l’effet sera beaucoup moins prononcé qu’avec la norme CEI 60156.

Les essais de tension de claquage sont un élément important du programme d’entretien d’un équipement électrique isolé à l’huile. Pour tirer un maximum de profits de ce type d’essai, Megger recommande fortement de tester l’huile au moins une fois par an et de préférence deux fois par an. Les résultats doivent être enregistrés afin d’analyser les tendances et d’identifier ainsi plus facilement les changements soudains et inattendus. En cas de changement soudain des résultats, le transformateur peut être inspecté pour vérifier l’absence de fuites, ainsi que le niveau d’huile et sa teneur en eau. Si la contamination est confirmée, il est souvent possible de sécher l’huile et de la filtrer pour la remettre en état, plutôt que de la remplacer par une huile neuve coûteuse.

La norme ASTM D877 est une ancienne norme qui ne s’intéresse que très peu à la présence d’humidité. Elle est, de ce fait, peu utilisée pour des applications en service. En 2002, l’IEEE a révisé la norme C51.106, « Guide for the Acceptance and Maintenance of Insulating Oil in Equipment » et a supprimé les valeurs de la norme D877 de ses critères d’évaluation de l’huile en service dans les transformateurs. De manière générale, la norme ASTM D877 est uniquement recommandée pour les essais de réception des huiles neuves envoyées par un fournisseur en vrac ou en conteneurs, pour s’assurer que l’huile a été correctement stockée et transportée. Généralement, une valeur minimale de claquage égale à 30 kV est spécifiée. 

La norme ASTM D877 préconise l’utilisation d’électrodes en forme de disque dont le diamètre est de 25,4 mm et l’épaisseur est d’au moins 3,18 mm. Ces électrodes sont composées de laiton poli et sont montées de manière à ce que leurs faces soient parallèles et alignées horizontalement dans la cuve de test. Il est spécifié que les bords doivent être tranchants avec un rayon maximal de 0,254 mm. Il est recommandé d’inspecter régulièrement les bords tranchants pour s’assurer qu’ils ne deviennent pas trop arrondis. Des bords trop arrondis auraient pour effet d’augmenter à tort la tension de claquage, et de permettre éventuellement à l’huile de réussir le test alors qu’elle aurait dû échouer. Il est également important que les électrodes restent très propres, sans piqûres ni signes de corrosion; dans le cas contraire, les valeurs de claquage pourraient être plus faibles qu’elles ne le devraient.

La norme ASTM D1816 est largement utilisée depuis des années, même en dehors des applications énoncées dans la norme, à savoir les huiles isolantes d’origine pétrolière et les limites de viscosité. La norme D1816 s’intéresse davantage à l’humidité, au vieillissement de l’huile et à l’oxydation que la norme D877, ainsi qu’à la présence de particules dans l’huile. Lors de la révision IEEE de la norme C51.106 en 2002, des limites de tension de claquage ont été ajoutées pour les huiles neuves et en service en se basant sur la norme D1816. 

La norme ASTM D1816 préconise l’utilisation d’électrodes en forme de champignon de 36 mm de diamètre. Tout comme dans la norme D877, les électrodes sont composées de laiton et doivent être polies pour être exemptes de toute gravure, rayure, piqûre et accumulation de carbone. L’huile est mélangée tout au long de la séquence d’essai. La norme préconise l’utilisation d’un agitateur motorisé à deux hélices. La norme stipule les dimensions et le pas de l’agitateur, ainsi que sa vitesse de fonctionnement, qui doit être comprise entre 200 tr/min et 300 tr/min. La cuve de test doit être équipée d’un couvercle ou d’une plaque de déflexion pour empêcher que de l’air n’entre en contact avec l’huile en circulation. 

Bien que généralement reconnue comme plus utile que la norme D877, la norme D1816 présente une limite importante : lors du test d’une huile en service, cette méthode d’essai est très sensible aux gaz dissous. Des quantités excessives de gaz dans l’huile peuvent faire baisser les résultats du test, au point qu’un très bon échantillon d’huile avec une faible teneur en humidité et en particules peut ne pas réussir le test. Il est important de garder cela à l’esprit lors du test de l’huile des transformateurs avec coussin de gaz et, dans certains cas, des transformateurs à reniflards.

Le test de la tension de claquage est un moyen relativement rapide et simple pour déterminer le degré de contamination d’une huile isolante. Le contaminant est habituellement l’eau, mais il peut également s’agir de particules conductrices, de saletés, de débris, de particules d’isolation et de sous-produits de l’oxydation, ou être lié au vieillissement de l’huile.

Pour les équipements en service, le test de la tension de claquage est un moyen pratique et utile de détecter la présence d’humidité et d’autres contaminants dans l’huile avant qu’elle ne provoque une défaillance catastrophique. Les informations obtenues grâce au test peuvent également servir de base pour :

• prédire la durée de vie restante d’un transformateur
• améliorer la sécurité opérationnelle
• prévenir les incendies de matériel
• maintenir la fiabilité.

Des essais de tension de claquage sont également effectués sur des huiles neuves avant leur utilisation dans les équipements, et dans le cadre d’essais de réception pour les livraisons d’huiles neuves et retraitées.