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Exploration de techniques physicochimiques et conception d’un capteur en ligne pour le diagnostic des transformateurs de puissance

Hadjadj Yazid. (2015). Exploration de techniques physicochimiques et conception d’un capteur en ligne pour le diagnostic des transformateurs de puissance. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Les transformateurs de puissance sont des composants essentiels du réseau de transport d’énergie qui se trouvent au coeur de la livraison sûre, efficace et sécurisée de l'énergie électrique. Sans entretien approprié et sécurisé, la lumière peut s’éteindre tout simplement. L’âge avancé de ces transformateurs, associé à la demande sans cesse croissante en électricité au cours de ces dernières années, augmente le risque de voir les plus vieux équipements tomber en panne et entraîner d’importantes coupures d’électricité. Cela soulève des inquiétudes tant au niveau de l’approvisionnement énergétique, de l’environnement qu’au niveau des investissements. L’indisponibilité d’un transformateur de puissance a généralement de lourdes conséquences financières pour les exploitants et les utilisateurs des réseaux électriques. Il est donc important de procéder à des analyses et maintenances pour améliorer la disponibilité d’énergie électrique. Les isolants utilisés dans la fabrication des transformateurs, qu’ils soient solides (papier, carton) ou liquides (huile), subissent avec le temps une altération chimique sous l’influence de contraintes thermiques, électriques et d’autres agents tels que l’oxygène et l’humidité. La détection précoce de la détérioration du système d’isolation permet d’effectuer les opérations de maintenance appropriées, qui ont pour conséquence de limiter au maximum les arrêts imprévus provoqués par les défaillances. Pour ces raisons, de nombreuses méthodes de diagnostic ont été développées en vue de contrôler l’état des transformateurs. Cette thèse propose des méthodes alternatives fiables, économiques et plus rapides pour évaluer l’état de dégradation du système isolant (huile/ papier). Dans ce contexte, un capteur capacitif interdigité pour surveiller l’état du papier imprégné d’huile a fait l’objet de ce travail. Ce capteur est basé sur la mesure de facteur de dissipation (tan δ). Dans le même concept, les pôles de la réponse diélectrique ont été utilisés comme un nouveau paramètre, indépendant de la géométrie, pour évaluer l’état du papier imprégné. Les résultats obtenus ont montré que le capteur est capable de détecter la dégradation du papier imprégné d’huile. À partir de mesures effectuées sur des échantillons de papier imprégné d’huile neuve et vieillie, il a été montré que les pôles peuvent être considérés comme indicateur de vieillissement du papier imprégné d’huile. Actuellement, une des façons la plus simple pour déterminer l’état du transformateur est d’utiliser l’huile isolante comme moyen de diagnostic. Dans cette thèse de doctorat, une série d’expériences ont été réalisées dans des conditions de laboratoire contrôlées. La qualité de l’huile isolante a été évaluée avec de nouvelles méthodes de diagnostic, il s’agit ici de la spectrophotométrie UV/ VIS et la turbidité, ainsi que de méthodes traditionnelles utilisant la tension interfaciale (IFT) et l’acidité (AN). À partir des résultats obtenus, des corrélations ont été observées entre les nouvelles méthodes et les méthodes traditionnelles. Les résultats indiquent que la spectrophotométrie UV/VIS et la turbidité peuvent être éventuellement utilisées comme indice efficace pour l’évaluation de la dégradation de l’huile isolante. Sur ce, des limites fournissant une «image» de l’état l’huile ont été suggérées. La mesure de la teneur en eau a été aussi explorée dans cette thèse. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) a été utilisée comme outil pour la détermination de la teneur en eau ainsi que l’état de l’huile isolante. La méthode utilisée pour déterminer la teneur en eau est basée sur l’extraction de l’humidité contenue dans l’huile à l’aide d’un solvant (acétonitrile). Les résultats obtenus montrent qu’il est possible de prédire avec précision la teneur en eau de l’huile à partir de la spectroscopie IRTF. Une corrélation directe entre l’acidité de l’huile et l’absorbance IRTF à 1710 cm-1 a été observée.

Power transformers are a critical component of the transmission grid and central to the safe, efficient and secure delivery of electric power. Without proper maintenance and security of these components, the electrical system can grind to a halt. The actual age of the installed transformers, associated with the growing demand for electricity in recent years, increases the risk of failure and potential power outages. The unavailability of a power transformer usually has serious financial consequences for both electricity networks operators and users. Since they are extremely expensive devices, it is much less expensive to conduct analysis and maintenance compared to the cost of an interruption of electricity supply as a result of transformer failure. Under the influence of heat and other agents such as oxygen and moisture, the insulating material used in transformers, whether solid (paper, pressboard) or liquid (oil), undergo physicochemical changes in its properties. Early detection of insulation system deterioration allows carrying out the appropriate maintenance actions. These actions lead to minimize unscheduled downtime that causes significant problems. For these reasons, many diagnostic methods have been developed to monitor the transformers conditions. This thesis proposes alternative, reliable, economic and fast methods to assess the condition of the insulation system (oil / paper). In this context, a capacitive interdigital sensor to monitor the condition of oil-impregnated paper condition has been proposed. This study is based on the measurement of the dielectric dissipation factor (tan δ). In the same concept, the poles derived from the dielectric response were used as a new parameter, independent of geometry, for the impregnated paper condition assessment. The obtained results have shown that the sensor is capable of detecting the degradation of oilimpregnated paper. From the investigations performed on new and aged oil paper samples, it was shown that poles can be regarded as insulation aging indicator. One of the simplest ways to access the condition the transformer is to use the insulating oil as diagnostic medium. In this contribution, a series of experiments have been performed under controlled laboratory conditions. The quality of the insulating oil was evaluated with alternative diagnosis methods, such as UV/Vis spectrophotometer and turbidity, as well as traditional methods using interfacial tension (IFT) and acidity (AN). From the obtained results, correlations were found between some of them. The results indicate that UV/Vis spectrophotometer and turbidity, which change with a higher rate than interfacial tension (IFT) and Acid Number (AN) values, can be possibly used as an effective index for insulating oil degradation assessment. Limits are suggested which provide a “picture” of the oil condition. In the same way, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was used to assess water content and the condition of the insulating oil. The method used to determine the water content is based on the extraction of the moisture containing in the oil using a solvent (acetonitrile). The results shows that the water content can be accurately predicted using FTIR spectroscopy extraction method. A direct relationship between the acidity of the oil and FTIR absorbance at 1710 cm-1 was also observed.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:Avril 2015
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:176
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie électrique et génie électronique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Fofana, Issouf
Mots-clés:capteur interdigité, isolation huile-papier, spectrophotométrie UV/VIS, spectroscopie IRTF, transformateur de puissance, turbidité, système isolant, huile, papier, méthodes de diagnostic
Déposé le:12 avr. 2017 14:27
Dernière modification:13 avr. 2017 00:37
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