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

Résumé

Les transformateurs de puissance font partis des équipements les plus importants et les plus coûteux utilisés dans le transport et la distribution de l’énergie électrique. Généralement, lorsque les transformateurs tombent en panne, la défaillance est dans la majorité des cas due à un défaut d'isolement. Ces défaillances imprévues provoquent d'importantes perturbations des systèmes d'exploitation. Cela entraîne des pannes subites et des problèmes de livraison d'énergie. Une fiabilité extrême est exigée pour la distribution dans la mesure où en cas de panne, ils conduisent inévitablement à des coûts de réparation relativement élevés, les temps d'arrêt assez long et d’éventuels risques de sécurité du personnel. Le système d’isolation qui est le maillon faible est alors l’objet d’une attention toute particulière qui devra être prise en compte depuis la fabrication des transformateurs. L’objectif global visé par ce travail de recherche est l’amélioration de nos connaissances de la dégradation de l’isolation des transformateurs et de l’impact de cette dégradation sur le rendement énergétique de ces équipements de puissance. Pour atteindre cet objectif global, le travail a été divisé en trois objectifs spécifiques. Le premier objectif spécifique est l’optimisation du cycle de séchage du papier isolant pendant le processus de fabrication. Le but est d’optimiser le processus du séchage en vue de limiter la dégradation initiale du papier thermo-stabilisé utilisé pour assurer l’isolation des enroulements des transformateurs. Les travaux ont tout d’abord commencé par la mise en place d’équations permettant de décrire le processus complet du séchage. Le premier modèle a permis de décrire la dégradation du papier en fonction de la température, du temps et de l’environnement dans lequel est effectué le séchage. Le deuxième modèle concerne l’évolution du séchage en fonction de la température, de la masse de papier à sécher, de l’humidité initiale et finale à obtenir. L’assemblage de ces deux modèles a permis de mettre en place un abaque permettant la détermination de la température et du temps nécessaire à l’obtention d’un meilleur séchage. Le but du deuxième objectif spécifique est l’étude de l’influence du papier sur la tendance à la production des gaz du complexe papier/huile sous l’impact d’un champ électrique. Les travaux effectués dans le cadre de cet objectif conformément au chapitre D6180 de la norme ASTM ont permis de montrer en premier lieu que la présence du papier entraine une augmentation de la quantité des gaz produits et de l’humidité dans l’huile suite à l’application d’un champ électrique. Les mesures des paramètres physicochimiques de l’huile ont montré que la présence du papier a une influence sur les produits issus de la dégradation de l’huile par le champ électrique. Les mesures ont également montré la capacité du papier à absorber certains produits de décomposition. Le troisième objectif spécifique consiste en l’évaluation de l’impact de la qualité de l’isolation papier/huile sur le rendement des transformateurs de puissance. Les résultats obtenus à partir d’un exemple numérique et des mesures sur un transformateur modèle, ont permis de montrer que la qualité de l’isolation a un impact non négligeable sur pertes diélectriques. Plus l’isolation est dégradée, plus les pertes sont importantes. La présentation des différentes techniques permettant de réduire les pertes, a montré que la technique de l’inertage par l’azote permet d’obtenir de meilleurs résultats techniques et économiques.

Power transformers are one of the most important and costliest equipment used in transmission and distribution of electrical energy. Usually when power transformer fails, the failure is in most cases related to a defect in their insulation system. These unexpected failures cause major disruptions of operating systems. This causes sudden breakdowns and power delivery problems. An extreme reliability is required for the distribution because in case of failure, they inevitably lead to relatively high repair costs, a long blackout and possible risks of personnel security. The insulation system which is the weak link is subjected to a special care that should be taken into account from the manufacture of transformers. In this regard, the global objective of this research is the improvement of our knowledge onto the degradation of the oil paper insulation system, along with the study of the impact of this degradation on the power transformers energy efficiency. To achieve this global objective, the work was subdivided into three specific objectives. The first specific objective is to optimize the drying cycle of the paper insulation during the manufacturing process. This aims at optimizing the paper drying process to limit the initial degradation of the Thermally Upgraded Paper, being used as insulation of the transformer windings. The work first began with the establishment of equations to describe the complete drying process. The first equation allowed describing the degradation of the paper as function of the temperature, time and the environment in which the drying is performed. The second equation concerned the evolution of the drying depending on the temperature, the mass of paper to be dried, the initial and final moisture content expected. The combination of these two models has allowed establishing an abacus for determining the temperature and the time required to obtain an optimal drying. The aim of the second specific objective is to study the influence of the paper on the gassing tendency of the complex oil /paper insulation system under the impact of an electric discharge. The work carried out according to ASTM D6180 has shown first, that the presence of the paper results in an increase in the amount of generated gas and moisture in oil following the application of an electric discharge. The measurements of the physicochemical properties of the oil showed that the presence of the paper has an influence on the degradation products of the oil due to the electric field. The measurements also emphasized the ability of the paper to absorb certain dissolved and undissolved decomposition by-products. The third specific objective concerned the impact of the oil/paper insulation quality on power transformers performance. The results obtained from an example and measurements on a laboratory-made transformer, have shown that the quality of the insulation has a significant impact on the dielectric losses. The insulation losses increase with degradation rate. The presentation of different techniques used to reduce losses, showed that the nitrogen blanketing system provides better technical and economic option.