Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Les transformateurs sont des composants cruciaux des systèmes de distribution et de transmission d'électricité, essentiels pour garantir une alimentation électrique fiable et économique. Maintenir les transformateurs en condition optimale tout au long de leur durée de vie est crucial, car la dégradation de leurs systèmes d'isolation est une cause majeure de pannes et d'explosions. Le système d'isolation principal d'un transformateur, composé de matériaux à base de cellulose et d'huile, subit des contraintes thermiques, électriques, mécaniques et chimiques pendant son fonctionnement. Par conséquent, la protection de cet équipement vital pour assurer la fiabilité et la stabilité du réseau dépend de l'état du système d'isolation du transformateur, nécessitant des outils d'évaluation fiables en cours de fonctionnement. La complexité de la conception, de la construction, du fonctionnement et des facteurs environnementaux des transformateurs de puissance rend l'évaluation de leur état difficile. Une méthode émergente et populaire pour surveiller le papier d'isolation et l'huile du transformateur est l'utilisation de capteurs à fibre optique. Ces capteurs suscitent un intérêt croissant en raison de leur capacité à s'intégrer aux technologies avancées, entraînant une réduction des coûts de conception, une immunité aux champs magnétiques et électriques parasites, et une portabilité technique améliorée. L'évaluation de l'état de l'isolation solide dans les transformateurs de puissance en fonctionnement est compliquée en raison de son inaccessibilité. Des méthodes indirectes, telles que l'analyse des traceurs chimiques issus de la dégradation de la cellulose, sont explorées pour relever ce défi. Cependant, un inconvénient majeur de ces traceurs est la perte d'informations lorsque l'huile du transformateur est régénérée ou recyclée. Le papier imprégné a gagné en reconnaissance en tant que matériau d'isolation dans l'industrie électrique en raison de sa résistance diélectrique exceptionnelle et de sa faible perte diélectrique. Les papiers et cartons isolants à base de cellulose pure démontrent une grande capacité d'absorption de l'huile, ce qui améliore considérablement leurs propriétés isolantes. Le système d'isolation d'un transformateur vieillit en raison des conditions opérationnelles, avec des contraintes thermiques, électriques et chimiques provoquant des changements irréversibles dans ses propriétés. Ces matériaux d'isolation solide sont également facilement malléables et peuvent être enroulés autour des enroulements, permettant la personnalisation des dimensions selon les besoins. La performance fiable des transformateurs de haute puissance dépend des caractéristiques électriques et mécaniques des matériaux d'isolation utilisés dans les enroulements. La plupart des défauts des enroulements sont liés à la défaillance de ces matériaux isolants. Les enroulements, étant des composants sensibles, sont sujets à la déformation due aux contraintes mécaniques lors du transport ou de l'installation, ainsi qu'aux contraintes thermiques et électriques. Une réduction de la pression de serrage du noyau peut augmenter le déplacement de la vibration des enroulements, indiquant des problèmes mécaniques potentiels au sein du transformateur. Une vibration excessive peut provoquer une fatigue mécanique, compromettant l'intégrité du papier isolant et entraînant la production de gaz dissous et de décharges partielles, ce qui accélère le processus de vieillissement du transformateur. La technologie de détection par fibre optique (OFS) est un outil puissant utilisé dans divers domaines, notamment l'ingénierie de l'énergie, les applications de santé, les applications automobiles, la mesure de la déflexion des ponts, la surveillance des structures en béton et la détection des vibrations. Dans de nombreuses applications avancées, où la miniaturisation, la sensibilité et la mesure à distance sont essentielles, les techniques de détection basées sur la fibre optique offrent des solutions innovantes. Par exemple, les capteurs à réseau de Bragg sur fibre (FBG) peuvent détecter des paramètres spécifiques tels que la température, la pression, les vibrations, l'humidité et la concentration de gaz chimiques. Cette recherche aborde spécifiquement la préparation des échantillons et la mesure des spectres de réflectance. Les résultats et discussions sont présentés en mettant l'accent sur le degré de polymérisation et le spectre de réflectance, soutenus par des analyses statistiques et se concluant par une intégration des conclusions. Des essais thermiques accélérés ont été réalisés sur des papiers isolants imprégnés dans deux types d’huiles. Les mesures spectrales de réflectance ont permis de corréler les variations optiques avec le DP, démontrant que le spectre de réflectance peut être utilisé comme marqueur fiable du vieillissement du papier. Deux modèles statistiques (F1+F3 et F3+F6) ont permis de prédire avec précision les valeurs du DP (R² ≥ 0.9). De plus, l'impact des enroulements défectueux sur les vibrations a été analysé. Cette section comprend des tests en laboratoire et des discussions approfondies sur la corrélation entre les enroulements défectueux et les vibrations, en tenant compte des positions des capteurs et d'une étude comparative de différentes configurations. Un modèle expérimental de transformateur sec a été utilisé pour simuler différentes configurations de déformations d’enroulements. Les résultats ont montré que les capteurs FBG permettent de distinguer clairement les enroulements sains des enroulements déformés, même à différents niveaux de courant. Une méthodologie a été proposée pour localiser la position exacte des déformations en fonction de l’augmentation relative des amplitudes vibratoires. La technologie émergente des capteurs optiques offre des mesures précises qui peuvent servir d'outils de diagnostic pour prédire et prévenir les défaillances des systèmes d'isolation dans les transformateurs de puissance.

Transformers are crucial components in power distribution and transmission systems, essential for ensuring a reliable and economical power supply. Maintaining transformers in optimal condition throughout their lifespan is critical, as the degradation of their insulation systems is a major cause of breakdowns and explosions. The primary insulation system of a transformer, consisting of cellulose and oil materials, endures thermal, electrical, mechanical, and chemical stresses during operation. Therefore, protecting this vital equipment to ensure network reliability and stability hinges on the condition of the transformer’s insulation system, necessitating reliable evaluation tools during operation. The complexity of power transformer design, construction, operation, and environmental factors makes condition evaluation challenging. One emerging and popular method for monitoring transformer insulation paper and oil is the use of fiber optic sensors. These sensors are gaining interest due to their ability to integrate with advanced technologies, resulting in reduced design costs, immunity to stray magnetic and electric fields, and enhanced technical portability. Assessing the condition of solid insulation in operating power transformers is complicated due to its inaccessibility. Indirect methods, such as analyzing chemical tracers from the degradation of cellulose, are being explored to address this challenge. However, a significant drawback of these tracers is the loss of information when transformer oil is regenerated or recycled. The impregnated paper has gained recognition as a crucial insulation material in the electrical industry due to its exceptional dielectric strength and low dielectric loss. Pure cellulose-based paper and pressboard insulation demonstrate a high capacity for oil absorption, which significantly enhances their insulating properties. The insulation system of a transformer ages due to operational conditions, with thermal, electrical, and chemical stresses causing irreversible changes in its properties. These solid insulation materials are also easily mouldable and can be wrapped around windings, allowing for dimension customization as needed. The reliable performance of high-power transformers depends on the electrical and mechanical characteristics of the insulation materials used in the windings. Most winding faults are related to the breakdown of these insulation materials. The windings, being sensitive components, are prone to deformation from mechanical stress during transport or installation, as well as from thermal and electrical stresses. Reduced core clamping pressure can increase winding vibration displacement, indicating potential mechanical issues within the transformer. Excessive vibration can cause mechanical fatigue, compromising the integrity of the insulating paper and leading to the production of dissolved gases and partial discharges, which accelerate the transformer's aging process. Optical fiber sensing (OFS) technology is a powerful tool being utilized across various fields, including power engineering, healthcare, automotive applications, bridge deflection measurement, concrete structure monitoring, and vibration sense. In many advanced applications, where miniaturization, sensitivity, and remote measurement are critical, optical fiber-based sensing techniques offer innovative solutions. For instance, Fiber Bragg Grating (FBG) sensors can detect specific parameters such as temperature, pressure, vibration, humidity, and the concentration of chemical gases. This research specifically addresses the preparation of samples and the measurement of reflectance spectra. The results and discussions are presented with an emphasis on the degree of polymerization and reflectance spectrum, supported by statistical analyses, and concluding with an integration of the findings. Accelerated thermal aging experiments were conducted on paper samples impregnated in mineral and ester oils. Reflectance spectroscopy was used to link optical characteristics to DP values, demonstrating that reflectance can serve as a reliable aging indicator. Two statistical models (F1+F3 and F3+F6) showed high accuracy in predicting DP values (R² ≥ 0.9). Additionally, the impact of defective windings on vibration was analyzed. This section includes laboratory tests and in-depth discussions on the correlation between defective windings and vibration, considering sensor positions and a comparative study of different configurations. A custom-designed dry-type transformer model was used to simulate various winding deformation configurations. Results revealed that FBG sensors could effectively distinguish between healthy and deformed windings under different load currents. A methodology was developed to localize the exact position of winding deformation based on relative increases in vibration amplitudes. Emerging optics-based sensor technology provides precise measurements that can serve as diagnostic tools for predicting and preventing insulation system failures in power transformers.