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

Résumé

La fiabilité et l’efficacité des transformateurs de puissance sont des éléments cruciaux pour assurer la stabilité des réseaux électriques. Les systèmes d’isolation composés d’huile et de papier jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement de ces équipements, mais leur dégradation au fil du temps augmente les risques de défaillance. Cette thèse s’attache à une étude approfondie de la température d’inception des bulles (BIT) dans les systèmes d’isolation huile-papier, en examinant les effets du vieillissement, de l’humidité, ainsi que des types d’huiles et de papiers utilisés. Une combinaison de modèles mathématiques et d’approches expérimentales a été employée pour mieux comprendre ces phénomènes et fournir des outils pratiques pour le suivi de la santé des transformateurs. Un modèle mathématique amélioré a permis de mettre en évidence l’impact du vieillissement de l’huile et du papier sur la BIT. Les résultats ont montré que le vieillissement du papier réduit significativement la BIT : un papier vieilli (DP = 390) amorce des bulles à une température environ 13 % inférieure à celle d’un papier neuf (DP = 1200). Ce modèle intègre également l’effet d’un mélange d’huile naturelle (20 %) avec de l’huile minérale, qui s’est révélé améliorer la BIT sans compromettre les performances thermiques. Cette solution pourrait augmenter la capacité de surcharge à court terme des transformateurs de 1,13 %, tout en réduisant le risque de formation de bulles. Un dispositif expérimental a été développé pour déterminer la BIT et la teneur en eau dans le papier (WCP) sous différentes conditions : types de papiers (Kraft, TUK, Aramide), types d’huiles (huile minérale, esters synthétiques) et niveaux de vieillissement. Les résultats ont confirmé que le vieillissement réduit la BIT et que les papiers thermiquement améliorés, ainsi que les huiles esters, présentent une stabilité thermique supérieure à leurs homologues standards. De plus, des formules mathématiques spécifiques à ces différents types d’huiles et de papiers ont été développées pour mieux estimer la température de bullage. Ces avancées offrent des solutions prometteuses pour optimiser les performances des transformateurs en termes de durabilité et de sécurité. Les résultats obtenus, publiés sous forme d’articles scientifiques et de communications en conférence, apportent des perspectives concrètes pour l’industrie électrique. Ils permettent une gestion optimisée des transformateurs en situations de surcharge ou lorsque les systèmes d’isolation atteignent des niveaux avancés de vieillissement. En conclusion, cette thèse propose des avancées significatives pour la compréhension et la prédiction de la BIT dans les systèmes d’isolation huile-papier. Les outils pratiques développés offrent des possibilités d’évaluation plus précises de la santé des transformateurs. Par ailleurs, des recommandations pour des travaux futurs ouvrent la voie à des recherches supplémentaires visant à améliorer la fiabilité et la durabilité des réseaux électriques.

The reliability and efficiency of power transformers are crucial elements in ensuring the stability of electrical grids. Insulation systems composed of oil and paper play a vital role in the operation of these devices, but their degradation over time increases the risk of failure. This thesis focuses on an in-depth study of the bubbling inception temperature (BIT) in oil-paper insulation systems, examining the effects of aging, moisture, and the types of oils and papers used. A combination of mathematical models and experimental approaches was employed to better understand these phenomena and provide practical tools for monitoring transformer health. An improved mathematical model highlighted the impact of oil and paper aging on the BIT. The results demonstrated that paper aging significantly reduces the BIT: aged paper (DP = 390) initiates bubbles at a temperature approximately 13% lower than new paper (DP = 1200). This model also incorporates the effect of a natural oil blend (20%) with mineral oil, which was found to enhance the BIT without compromising thermal performance. This solution could potentially increase the short-term overload capacity of transformers by 1.13%, while reducing the risk of bubble formation. An experimental setup was developed to determine the BIT and the Water Content in Paper (WCP) under various conditions: types of paper (Kraft, TUK, Aramid), types of oils (mineral oil, synthetic esters), and aging levels. The results confirmed that aging reduces the BIT and that thermally upgraded papers, as well as ester oils, exhibit superior thermal stability compared to their standard counterparts. Additionally, mathematical formulas specific to these different types of oils and papers were developed to better estimate the bubbling inception temperature. These advancements offer promising solutions for optimizing transformer performance in terms of durability and safety. The findings, published as scientific articles and conference presentations, provide practical perspectives for the electrical industry. They enable optimized management of transformers under overload conditions or when insulation systems face advanced aging. In conclusion, this thesis presents significant advances in understanding and predicting the BIT in oil-paper insulation systems. The practical tools developed allow for more precise assessments of transformer health. Additionally, recommendations for future work pave the way for further research aimed at enhancing the reliability and sustainability of electrical grids.