Définitions

 

Mineral insulating oil - huile minérale, natural esters - esters naturels, Synthetic organic ester - ester synthétique

 

Huile minérale isolante
liquide isolant dérivé de pétroles bruts
Remarques - le pétrole brut est un mélange complexe d’hydrocarbures avec de petites quantités d’autres substances chimiques naturelles.
IEV réf.212-17-02 [ source ]

Esters naturels(CEI 62770)
huiles végétales provenant de graines et d’huiles obtenues à partir d’autres matériaux biologiques appropriés et constituées de triglycérides
CEI 62770, éd.1.0 (2013-11)

Ester synthétique(Electropedia CEI)
liquide isolant produit à partir d’acides et d’alcools par réaction chimique
Remarque : ces esters comprennent des mono-, di- et polyols-esters.
IEV réf.212-17-08 [ source ]

 

SF ₆ (hexafluorure de soufre)(Wikipédia)
L’hexafluorure de soufre est un composé inorganique avec la formule SF6.C’est un gaz transparent, sans odeur, non toxique et non inflammable (dans des conditions standard) ; à 1 bar, il a une masse volumique de 6,164 g/l (il est environ 5,1 fois plus dense que l’air).

SF6 a une géométrie octaédrique, composé de six atomes de fluor liés à un atome central de soufre.C’est une molécule hypervalente.Peu soluble dans l’eau, il est soluble dans les solvants organiques apolaires.Il est généralement transporté sous forme liquéfiée.[ source ]

 

Introduction

 

Isolateurs dans l’huile et SF6

Le problème du SF6 dans l’huile - défauts d’étanchéité de l’isolateur ne concerne pas directement les transformateurs, mais les douilles(bushing), accessoires permettant le passage des conducteurs depuis l’intérieur du transformateur vers son extérieur sans entrer en contact avec le boîtier.

 

Dans les transformateurs élévateurs (GSU), 14 % des pannes sont dues aux douilles (>100KV).

CIGRE WG A2.37 - Enquête sur la fiabilité du transformateur, décembre2015

 

Les douilles sont placées normalement sur la partie supérieure du transformateur et sont de différents types en fonction des tensions/courants concernés et du type de conducteur externe auquel elles doivent être raccordées.Les douilles sont typiquement constituées de deux compartiments ; le compartiment inférieur est inséré dans le transformateur, le compartiment supérieur est ancré dans le boîtier du transformateur.Le compartiment supérieur peut rester libre ou peut être placé à l’intérieur des papiers métalliques remplis par exemple de SF6 (hexafluorure de soufre).

Pour des courants élevés (jusqu’à 30 KA), on utilise des isolateurs huile-air avec un conducteur central de grand diamètre, pour des tensions élevées, on utilise des isolateurs huile-huile, huile-SF6 ou à condensateur, dans lequel le conducteur central est enveloppé avec des couches de papier isolant alternant avec des couches d’un matériau conducteur.À haute et très haute tension, le gaz SF6 est couramment utilisé en tant que moyen isolant étant donné qu’il est pas soumis au vieillissement, est non-toxique, non-inflammable, a de bonnes propriétés diélectriques (presque 3 fois supérieures à celles de l’air ou de l’azote), d’extinction d’arc et thermiques.

 

Caractéristiques du SF6

L’hexafluorure de soufre - SF6 est un gaz incolore, inodore et non toxique, non inflammable, chimiquement inerte avec de hautes propriétés diélectriques, presque 3 fois supérieures à celles de l’air ou de l’azote.

Depuis plus de 50 ans, le SF6 est utilisé avec succès dans diverses applications industrielles, en particulier dans les disjoncteurs et sectionneurs sur les lignes de transport et de distribution d’électricité.Dans d’autres domaines, il est utilisé par exemple dans les accélérateurs de particules, dans les radars et dans l’industrie électronique ou dans le domaine médical, en particulier dans les machines de diagnostic et de la résonance magnétique dans la chirurgie oculaire.

Dans le passé, il a également été utilisé dans les pneus, les balles de tennis, dans certains types de chaussures de course et comme isolant en double vitrage, mais son utilisation dans ces applications est interdite depuis 2007.

Dans les équipements électriques à moyenne et haute tension, le SF6 est utilisé pour ses propriétés de forte extinction de l’arc électrique en raison de sa rigidité diélectrique élevée et sa capacité de recombinaison.Grâce à ces propriétés, supérieures à celles d’autres fluides tels que l’air ou l’azote, la taille des sous-stations électriques peut être beaucoup plus compacte.

 

SF6 et l’environnement

Parmi les gaz qui causent le fameux « effet de serre », le SF6 est celui qui nécessite la plus haute priorité d’action en matière de prévention et d’atténuation globale du changement climatique.Avec cinq autres gaz (le dioxyde de carbone (CO ₂ ), le méthane (CH ₄ ), l’oxyde d’azote (N ₂ O) les hydrofluorocarbures (HFC) et les perfluorocarbures (PFC)), le SF6 a été listé dans le Protocole de Kyoto (1997).Son impact sur le climat est 22 800 fois plus élevé que celui du dioxyde de carbone (CO2) et son temps de séjour dans l’atmosphère est d’environ 3 200 années (source :Bureau fédéral de la statistique :Enquête sur les matériaux climatiques actifs particuliers « hexafluorure de soufre » (SF6), Wiesbaden, 2015)

Pour éviter les effets dangereux sur le climat, l’utilisation du gaz a été interdite depuis le 4 juillet 2007 pour les applications « civiles et domestiques », cependant, dans la plupart des applications industrielles, le gaz SF6 continue d’être utilisé, parce que des alternatives ayant des performances équivalentes n’ont pas encore été identifiées.

Partout dans le monde, des règles strictes pour la réduction des émissions de SF6 ont été établies.Dans l’Union européenne, le règlement F-gaz, (CE) n° 517/2014 , sur la limitation des émissions de gaz à effet de serre, est entré en vigueur en 2014.Le règlement a établi des exigences générales pour l’inventaire, la gestion et le traitement du gaz SF6 et d’autres gaz fluorés.

 

 

Le problème « SF6 dans l’huile - défauts d’étanchéité de l’isolateur » est principalement causé par les défauts d’étanchéité entre l’isolateur (isolé avec de l’huile) et le carter métallique (contenant le SF6) qui renferme la partie supérieure de l’isolateur.

Les défauts d’étanchéité peuvent résulter d’une dégradation chimique et physique des matériaux, des contraintes électriques, thermiques et/ou mécaniques.La combinaison de ces facteurs conduit à une migration du SF6 dans l’huile de l’isolateur.Si d’une part, on détermine la présence du SF6 dans l’huile (compartiment d’huile de l’isolateur), d’autre part on obtient une contamination par l’huile au détriment du SF6 dans le carter métallique qui renferme la partie supérieure de l’isolateur.Cette dernière situation est beaucoup plus grave que la situation contraire ; en particulier, le brouillard d’huile dans la partie de SF6 fait perdre à celui-ci ses propriétés diélectriques, menaçant ainsi l’étanchéité de l’isolation de l’accessoire.

 

La gravité de ce problème consiste dans le fait qu’il peut, sans qu’il y ait des signes ou des symptômes spécifiques, conduire à des pannes électriques avec des arcs électriques jusqu’à ce que l’isolateur explose et s’enflamme avec des conséquences catastrophiques.Suite à l’explosion d’un isolateur, des pièces en céramique et des composants en métal sont en effet projetés jusqu’à 200 m à partir du point d’installation, présentant un très grand danger pour les personnes et avec une probabilité élevée qu’un effet domino se déclenche sur le matériel environnant.En cas d’incendie, la gravité de l’événement est tout aussi élevée, compte tenu de la forte probabilité de propagation du feu au boîtier du transformateur.Un tel événement pourrait en outre entraîner l’explosion (et/ou l’incendie) du transformateur avec un impact très sérieux sur les gens, les choses et l’environnement.

 

 

 

 

Signes (inspection visuelle)

Le problème du SF6 dans l’huile - défauts d’étanchéité de l’isolateur ne montre pas de signes caractéristiques, cependant, par inspection visuelle, il est possible :

• d’évaluer les conditions générales de l’accessoire (corrosions) et la présence de fuites,
• de vérifier la dilatation du soufflet (huile/SF6), indicateur de la quantité d’huile présente dans l’isolateur
• vérifier notamment l’état général de la prise capacitive (si présente), grâce à laquelle les tests électriques appropriés (capacité, facteur de dissipation) peuvent être réalisés.

Échantillonnage représentatif

En dépit du fait que la présence d’huile dans le carter en SF6 soit nettement plus problématique, il est beaucoup plus pratique de prélever une partie d’huile (du compartiment d’huile de l’isolateur) et de l’analyser afin d’évaluer la présence de SF6.Cet indicateur est suffisant pour détecter clairement le problème, car un défaut d’étanchéité entre l’isolateur et le carter externe produirait en même temps de l’huile dans le SF6 et du SF6 dans l’huile.

L’échantillonnage représentatif d’un isolateur huile-SF6 est une opération délicate et complexe. Il est nécessaire d’utiliser des procédures opérationnelles appropriées (conformément aux spécifications du fabricant de l’isolateur), des dispositifs d’échantillonnage spéciaux et faire appel à un personnel formé en la matière.
La difficulté réside dans la présence d’un très faible volume d’huile dans le compartiment (d’huile) de l’isolateur et, par conséquent, il est nécessaire d’exécuter le prélèvement en compensant la même quantité d’huile (tirée au préalable).L’opération doit être effectuée avec une extrême prudence afin d’éviter l’infiltration de la moindre bulle d’air.

Sea Marconi a acquis une vaste expérience dans ce domaine en effectuant cette opération sur les isolateurs de parc nucléaire d’EDF.

 

 

Symptômes (analyse)

Le symptôme spécifique du problème du SF6 dans l’huile - défauts d’étanchéité de l’isolateur, est lié à des valeurs non conformes à l’indicateur de diagnostic suivant :

• SF6 dans l’huile*

il y a ensuite des co-facteurs utiles pour compléter le cadre de diagnostic :

• Eau dissoute (CEI 60814)
• Gaz dissous (CEI 60567) (oxygène, azote, dioxyde de carbone, monoxyde de carbone, hydrogène, méthane, éthane, éthylène, acétylène) avec une indication de C3 (propane, propylène, et méthylacétylène ou propyne (C3H4))
• Facteur de dissipation diélectrique (CEI 60247)
• Particules (CEI 60970)

*Tant l’analyse du SF6 dans l’huile que l’échantillonnage à partir du compartiment d’huile de l’isolateur et l’interprétation de diagnostic des résultats d’analyse sont dépourvus de méthode de référence et de bibliographie validée.

 

Sea Marconi a développé et validé en interne sa propre méthode d’analyse qui contourne les limites techniques que l’on rencontrerait en utilisant l’AGD traditionnelle.En effet, cette dernière n’est pas capable de restituer le contenu de SF6 dans l’huile.La raison en est très technique : en fait, le SF6 contamine le catalyseur du méthanateur ou, plus simplement, met hors du cadre d’étalonnage le système d’analyse normal.

Le même chemin de recherche et de développement entrepris par Sea Marconi pour développer la méthode d’analyse décrite ci-dessus, a été entrepris pour valider le modèle d’interprétation de diagnostic des résultats.Cela a permis de déterminer, pour chaque famille d’équipements (selon le fabricant), les valeurs qui devraient être considérées comme des valeurs typiques, d’avertissement et d’alarme en fonction de la concentration et de la vitesse de formation du SF6 dans l’huile et en fonction du profil des autres gaz dissous (AGD).

 

Pour le diagnostic du problème du SF6 dans l’huile - défauts d’étanchéité de l’isolateur, Sea Marconi emploie son propre indicateur diagnostique, dans le cas d’espèce :

• les signes visuels sur la douille sont interprétés ;
• les symptômes, c’est-à-dire les indicateurs symptomatiques (SF6 dans l’huile, gaz dissous, eau dissoute) et leurs valeurs caractéristiques sont identifiés au moyen de l’analyse d’huile ;
• grâce à la base de données, les antécédents « familiaux » ou individuels sont étudiés (à la recherche de défauts et/ou de pannes sur des accessoires jumeaux) ;
• les facteurs d’incertitude, la vitesse et l’évolution au fil du temps ( tendance) des indicateurs symptomatiques au cours des phases du cycle de vie sont examinés et surveillés ;
• sur la base de l’évaluation de ces facteurs clés, le problème spécifique est classifié en termes de type et de priorité, en définissant en même temps le type et la priorité des actions correctives.

 

En l’absence de traitement véritable du problème, la prévention et la seule stratégie viables reposent sur une bonne gestion du cycle de vie de la douille et du transformateur auquel elle est connectée.

Actions préventives au cours du cycle de vie de l’isolateur

• Surveiller les indicateurs symptomatiques (cf. la section Symptômes ci-dessus).Si de premiers symptômes du problème se manifestent, tels qu’une teneur élevée en SF6 dans l’huile, il est recommandé d’augmenter la fréquence des échantillonnages et des analyses (une fois par semaine ou même une fois par jour) afin de surveiller la tendance.Cette surveillance vise à déterminer le moment opportun qui justifierait la mise hors service du transformateur et le remplacement de l’accessoire par une pièce de rechange appropriée.
• En plus des inspections visuelles constantes, évaluer l’exécution des relevés thermographiques pour déterminer les conditions générales de l’accessoire, identifier les défauts éventuels des connexions ou des phases et identifier les défauts éventuels du système de refroidissement
• Évaluer l’exécution de tests électriques pour déterminer toute perte d’isolation, les décharges partielles, la capacité, la Tg delta.
• Il est recommandé de mettre à jour les informations stratégiques à travers un «  inventaire dynamique  » des huiles et des transformateurs (avec accessoires), sans négliger les valeurs des indicateurs symptomatiques.
• Il est recommandé de modifier/adopter les pratiques d’entretien et d’approvisionnement de façon à assurer qu’un stock suffisant de pièces de rechange(des isolateurs) pour chaque famille/producteur soit toujours disponible dans l’entrepôt

 

Il n’existe aucun vrai traitement pour remédier au problème du SF6 dans l’huile - défauts d’étanchéité de l’isolateur ; le problème ne peut être résolu que par le remplacement de l’isolateur.

La meilleure gestion du cycle de vie de l’appareil prévoit une surveillance constante du contenu de SF6 dans l’huile de l’isolateur (cf. la section Prévention ci-dessus) afin de minimiser le risque de panne et de planifier un remplacement en toute sécurité.

 

 

L’échantillonnage de l’huile dans l’isolateur doit être fait conformément aux spécifications fournies par le fabricant :

• au moyen de procédures appropriées et de dispositifs spécifiques d’échantillonnage
• par un personnel disposant d’une expertise et d’une formation spécifiques dans le domaine

en confiant la tâche à des opérateurs capables de démontrer un large éventail d’applications et de certifier les opérations effectuées pour garantir leur qualité (ISO 9001)