Dans les systèmes électriques, les transformateurs constituent l’équipement de base pour la conversion et le transport d’énergie, et leurs performances d’isolation déterminent directement la stabilité du fonctionnement du réseau électrique. La décharge partielle (PD) est un « signal d'alerte précoce » pour la dégradation de l'isolation du transformateur.-ce type de décharge d'arc local qui ne pénètre pas dans l'isolation érodera progressivement le matériau isolant et peut éventuellement conduire à des accidents graves tels qu'une rupture d'isolation et une panne d'équipement.
Les transformateurs dotés de structures d'isolation différentes présentent des différences significatives dans le mécanisme de génération et les principaux facteurs induisant des décharges partielles. Cet article se concentre sur les -transformateurs immergés dans l'huile et les transformateurs de type sec-(représentés par le type coulé en résine époxy-), combinant les pratiques de l'industrie et les principes techniques pour analyser en profondeur les principales causes des décharges partielles, fournissant des références professionnelles pour la sélection des équipements, les tests de fonctionnement et de maintenance.
I. Transformateurs de type sec- (type coulé en résine époxy-) : les défauts d'isolation et le contrôle du processus sont des facteurs inducteurs essentiels
Les transformateurs de type sec-utilisent de la résine époxy et d'autres matériaux d'isolation solides comme noyau et sont largement utilisés dans les immeubles de grande hauteur-, les centres de données et d'autres scénarios en raison de leurs avantages tels que la résistance au feu, le fonctionnement sans entretien-et la petite taille. Leurs problèmes de décharges partielles se concentrent principalement sur deux dimensions : les défauts des matériaux isolants et les processus de coulée/enroulement.
Les matériaux d'isolation du noyau des transformateurs de type sec- comprennent la résine époxy, le papier Nomex, le carton isolant, etc. Si la production ou la sélection du matériau est inappropriée, il est facile de le mélanger avec des bulles, des impuretés ou de produire des microfissures :
- Bulles induisant une concentration de champ électrique :Les bulles résiduelles dans les matériaux isolants solides ont une constante diélectrique bien inférieure à celle du milieu isolant de base (par exemple, la constante diélectrique de la résine époxy est d'environ 3,5, alors que celle de l'air n'est que de 1,0). Le champ électrique sera fortement concentré à l’intérieur des bulles. Lorsque l’intensité du champ électrique dépasse le seuil de tolérance du matériau, une décharge partielle se déclenche. Une décharge à long-terme augmentera progressivement le volume des bulles, formant des risques d'isolation ;
- Impuretés provoquant une distorsion du champ électrique :Les débris métalliques, la poussière et d'autres impuretés mélangés dans le matériau isolant formeront une structure similaire à une « électrode de pointe », perturbant la distribution uniforme du champ électrique et formant une zone locale à intensité de champ élevée à la pointe de l'impureté, induisant une décharge corona ;
- Risques d’isolation liés aux microfissures :Si la libération des contraintes est inégale pendant le durcissement du matériau, ou si un impact mécanique est rencontré pendant le transport et l'installation, des microfissures invisibles à l'œil nu seront générées. L'effet de concentration du champ électrique au niveau des fissures déclenchera également une décharge partielle, et les fissures continueront à s'étendre avec la décharge, accélérant ainsi le vieillissement de l'isolation.
Le contrôle des processus est la clé pour éviter les décharges partielles dans les transformateurs de type sec-. La négligence dans tout maillon tel que l'enroulement, l'emballage, le moulage et le durcissement peut laisser des dangers cachés :
- Mauvaise isolation des enroulements :Isolation lâche s'enroulant entre les couches d'enroulement et les tours, avec des espaces ou des rides. Ces espaces formeront des zones locales à faible constante diélectrique, devenant des « zones à haut -risque » de concentration de champ électrique ; dans le même temps, les plis générés lors de l'emballage entraîneront une épaisseur d'isolation inégale, aggravant encore la distorsion du champ électrique ;
- Défauts dans le traitement des conducteurs :Bavures, coins pointus ou rayures non éliminés sur la surface du conducteur. Dans des conditions de fonctionnement à haute -tension, l'intensité du champ électrique aux extrémités augmentera fortement (conformément au principe de la « décharge corona »), induisant directement une décharge corona. La décharge érodera progressivement la couche isolante du conducteur, élargissant ainsi la plage de défauts ;
- Traitement d'égalisation de tension inadéquat :La répartition du champ électrique à l’extrémité de l’enroulement du transformateur est naturellement inégale. Si aucun anneau d'égalisation de tension ou plaque d'égalisation de tension n'est installé, ou si la conception de la structure d'égalisation de tension est déraisonnable, l'intensité du champ électrique à l'extrémité dépassera la limite de tolérance d'isolation, entraînant une décharge partielle excessive. Il s'agit également d'une incitation courante à la décharge partielle à l'extrémité des transformateurs de type sec- ;
- Processus de coulée et de durcissement inappropriés :Les principaux défauts de processus des transformateurs coulés en résine époxy-sont concentrés en deux maillons : le « dégazage » et le « durcissement ». Un dégazage incomplet empêchera l'évacuation des gaz résiduels dans le mélange époxy, formant des bulles internes après le durcissement (il s'agit d'une cause à haute fréquence-de décharge partielle excessive dans les transformateurs de type sec-) ; tandis qu'une température de durcissement trop élevée/basse ou un temps de durcissement excessivement long/court entraînera un durcissement incomplet de l'isolation (monomères époxy résiduels n'ayant pas réagi) ou une concentration de contraintes, ce qui à son tour génère des microfissures et endommage l'intégrité de l'isolation.
II. Transformateurs immergés dans l'huile : l'état de l'huile isolante et les défauts d'interface sont les principaux points de risque
Les transformateurs immergés dans l'huile-adoptent un système d'isolation combiné d'huile isolante et d'isolation solide (carton, papier imprégné d'huile-) et occupent depuis longtemps le principal marché des transformateurs dans les systèmes électriques en raison de leurs avantages tels qu'une résistance d'isolation élevée et une bonne dissipation thermique. Leurs problèmes de décharge partielle sont étroitement liés à l'état de l'huile isolante et aux caractéristiques de l'interface huile-papier, avec des facteurs inducteurs principaux comprenant les trois catégories suivantes :
L'huile isolante sert non seulement de milieu isolant, mais assure également la fonction de dissipation thermique. Sa pureté et son état affectent directement le risque de décharge partielle :
- Teneur excessive en humidité et en gaz :Si le transformateur immergé dans l'huile-n'est pas hermétiquement scellé, l'humidité de l'air pénétrera dans l'huile isolante, ce qui réduira considérablement la tension de claquage de l'huile ; en même temps, si les gaz dissous dans l’huile (tels que l’oxygène, l’hydrogène, le méthane) ne sont pas éliminés à temps, de minuscules bulles se formeront dans l’huile. Ces bulles ont tendance à se décharger sous l'action du champ électrique, et le gaz généré par la décharge augmentera encore la teneur en gaz du pétrole, formant un cercle vicieux ;
- Contamination par impuretés :Si l'huile isolante est mélangée à des particules métalliques, des impuretés de fibres, etc. pendant la production, le transport ou l'exploitation et la maintenance, elle formera un prototype de « canal conducteur » dans l'huile-les impuretés adsorberont les charges, se déplaceront dans la direction sous l'action du champ électrique, s'accumuleront à l'interface entre l'huile et l'isolation solide et induiront une décharge partielle ;
- Vieillissement et détérioration de la qualité de l’huile :Après un fonctionnement à long terme-, l'huile isolante subira des réactions d'oxydation sous l'action d'une température élevée et d'un champ électrique, produisant des produits vieillissants tels que des acides, des colloïdes et des boues. Ces substances réduiront les performances d'isolation de l'huile et réagiront en même temps chimiquement avec les matériaux isolants solides, endommageant l'intégrité de l'isolation de l'interface huile-papier et créant des conditions de décharge partielle.
Le système d'isolation des transformateurs immergés dans l'huile-est composé de "huile isolante + carton solide", et l'état d'interface entre les deux est une zone sensible clé pour les décharges partielles :
- Bulles et lacunes de l'interface :Si le dégazage est incomplet lors du remplissage de l'huile du transformateur, ou si l'huile isolante se dilate lorsqu'elle est chauffée et se contracte lorsqu'elle est refroidie pendant le fonctionnement, de minuscules espaces ou bulles se formeront à l'interface entre l'huile et le carton. L'effet de concentration du champ électrique dans ces zones est très susceptible de déclencher des décharges partielles ;
- Humidité et vieillissement du carton :En tant que matériau isolant solide, si le carton absorbe de l’humidité (comme une infiltration d’eau de pluie due à une défaillance du joint), ses performances isolantes seront considérablement réduites. Dans le même temps, l’humidité va favoriser le vieillissement et la dégradation du carton, générant des microfissures et des débris de fibres. Ces défauts vont induire une décharge à l'interface, et la décharge va accélérer la carbonisation du carton, formant un canal conducteur.
En plus des problèmes d'huile isolante et d'interface, une conception structurelle et des processus inappropriés peuvent également entraîner une décharge partielle dans les transformateurs immergés dans l'huile :
- Fixation d'enroulement lâche :Si l'enroulement est lâchement lié, la vibration électromagnétique pendant le fonctionnement du transformateur provoquera un déplacement de l'enroulement, entraînant des espaces dans l'isolation entre les couches et les spires, et induisant une concentration du champ électrique ;
- Pointes saillantes des composants métalliques :S'il y a des coins pointus, des bavures sur les supports métalliques, les fils et autres composants à l'intérieur du transformateur, ou si leurs positions sont décalées lors de l'installation, des zones locales à intensité de champ élevée se formeront sous haute tension, induisant une décharge corona ;
- Mauvaise étanchéité du réservoir :La défaillance de l’étanchéité du réservoir entraînera non seulement l’infiltration d’humidité et d’impuretés, mais permettra également à l’air de pénétrer dans le réservoir, formant une couche de bulles à la surface de l’huile. Ces bulles sont des sources importantes de décharges partielles.
III. Différences fondamentales et noyau de prévention des décharges partielles entre les deux types de transformateurs
| Dimension de comparaison | Transformateurs de type sec-(résine époxy-type coulé) | -Transformateurs immergés dans l'huile |
| Milieu d'isolation de base | Isolation solide telle que résine époxy, papier Nomex | Huile isolante + huile-isolation composite en papier |
| Principaux facteurs induisant les décharges | Bulles internes dans les matériaux, défauts de processus (coulée/enroulement) | Détérioration de l'huile isolante, défauts d'interface huile-papier |
| Zones sensibles | Extrémités d'enroulement, à l'intérieur du corps de coulée, pointes de conducteur | Interface papier huile-, bulles dans l'huile, entrefer en haut du réservoir |
| Noyau de prévention | Contrôle de la pureté des matériaux, procédés raffinés (dégazage/durcissement/emballage), optimisation de la structure d'égalisation de tension | Purification de l'huile isolante (dégazage/déshydratation/élimination des impuretés), protection d'étanchéité, surveillance de l'état de l'interface |
IV. Aperçu de l'industrie : détection précoce et suggestions d'exploitation et de maintenance en cas de décharge partielle
Le risque de décharge partielle réside dans sa « dissimulation » -l'intensité de décharge initiale est faible, sans caractéristiques externes évidentes, mais l'accumulation à long-conduira à une dégradation irréversible de l'isolation. Par conséquent, les transformateurs de type -immergés dans l'huile et à sec-doivent attacher de l'importance à la détection précoce et au contrôle de l'exploitation et de la maintenance :
- Tests réguliers : adopter des systèmes de surveillance des décharges partielles en ligne (tels que les tests par ultrasons, les tests à ultra-haute fréquence) pour capturer les signaux de décharge en temps réel et localiser avec précision les positions des défauts ;
- Contrôle des matériaux et des processus : donner la priorité aux fabricants possédant des qualifications complètes et des processus matures lors de la sélection des produits, en se concentrant sur la pureté des matériaux isolants et les rapports de tests de processus ;
- Protection du fonctionnement et de la maintenance : pour les transformateurs immergés dans l'huile-, testez régulièrement les indicateurs tels que l'humidité, la teneur en gaz et la perte diélectrique de l'huile isolante, et effectuez la filtration et la purification en temps opportun ; pour les transformateurs de type sec-, évitez les chocs mécaniques, nettoyez régulièrement la poussière de surface et évitez les fuites de surface de l'isolation ;
- Contrôle environnemental : évitez de faire fonctionner les transformateurs dans des environnements très humides, excessivement poussiéreux et corrosifs. Les transformateurs de type sec-doivent assurer une bonne ventilation et une bonne dissipation de la chaleur pour éviter la surchauffe et le vieillissement de l'isolation.
Conclusion : Les décharges partielles sont un « tueur invisible » du système d'isolation du transformateur, et ses causes sont étroitement liées au type d'équipement, à la structure d'isolation et au niveau du processus. La maîtrise des caractéristiques de décharge partielle des transformateurs de type-immergés dans l'huile et de type sec-, ainsi que la sélection scientifique des produits, un contrôle raffiné des processus et des tests réguliers, peuvent réduire les risques de décharge de la source et garantir le fonctionnement sûr et stable du système électrique.
