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

Résumé

Depuis près d’un siècle, les huiles minérales sont les huiles les plus utilisées pour le refroidissement des transformateurs. Le haut niveau d’inflammabilité et l’impact environnemental de ces huiles constituent leurs principaux talons d’Achille. Ainsi, de nombreuses études sur des huiles alternatives (huiles esters naturels et esters synthétiques) ou de remplacement sont en cours de développement à travers le monde entier. Le présent projet de recherche s’inscrit dans ce cadre. Ces huiles alternatives, en plus d’être biodégradables, ont des points de feu et d’éclair très élevés comparés à ceux de l’huile minérale. De plus, plusieurs études scientifiques ont démontré que du fait de leur forte capacité d’absorption en eau, les huiles alternatives améliorent la durée de vie de l’isolation solide (papier cellulose) donc celle du transformateur. L’objectif global de ce présent travail de recherche a été d’apporter une contribution notable à l’étude des huiles à point de feu élevé comme alternatives à l’huile minérale pour utilisation dans les transformateurs de puissance. Les objectifs spécifiques peuvent être résumés comme suit: étudier l’impact du vieillissement thermique des huiles sur leurs propriétés physicochimiques et thermofluidiques; établir des relations entre les propriétés physicochimiques et thermofluidiques des huiles; développer des équations empiriques pour les propriétés thermofluidiques des huiles en fonction de la température afin d’effectuer l’étude numérique; développer un modèle numérique thermofluidique à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics 4.3a pour l’étude de l’impact du vieillissement sur la capacité de refroidissement des huiles minérales et des huiles à PFE (point de feu élevé). Pour atteindre ces objectifs, une étude expérimentale et une étude numérique ont été conduites. La première a consisté à faire des vieillissements thermiques en laboratoire et à procéder aux mesures des propriétés physicochimiques et thermofluidiques des huiles. La deuxième, quant à elle, a consisté à se servir des résultats expérimentaux pour développer un modèle numérique. Les résultats obtenus peuvent être résumés comme suit :  Résultats expérimentaux. Pour l’étude de l’impact du vieillissement thermique des huiles sur leurs propriétés physicochimiques et thermofluidiques : l’huile ester synthétique (SE) s’avère être la plus stable à l’oxydation, vient ensuite l’ester naturel (NE) et enfin l’huile minérale (MO). En d’autres termes, le vieillissement a un impact plus important sur l’huile MO comparativement aux huiles alternatives. En ce qui concerne les propriétés thermofluidiques, le vieillissement thermique a un impact sur la viscosité cinématique et sur la masse volumique des huiles. Mais du point de vue du diagnostic des huiles des transformateurs, cet impact est seulement considérable pour la viscosité cinématique de l’huile NE. Pour l’étude des relations entre les différents paramètres des huiles : une relation directe entre le DDP (produits de dégradation dissous) et l’augmentation de la viscosité cinématique de l’huile NE au cours du vieillissement a été trouvée. Pour le développement des équations empiriques en fonction de la température pour les propriétés thermofluidiques des huiles : à partir des mesures, des équations empiriques de la viscosité dynamique, de la masse volumique, de la conductivité thermique et de la chaleur spécifique pour chaque Dva (durée de vieillissement accéléré) ont été développées en fonction de la température; l’acceptabilité de ces équations empiriques a été démontrée en comparant les valeurs mesurées à celles estimées à partir de ces équations.  Résultats des simulations numériques. Les résultats obtenus indiquent qu’en convection naturelle comme en convection forcée, le vieillissement a un faible impact sur la valeur de la température du point chaud (Tmax). Le point chaud se situe toujours dans la partie supérieure des enroulements et se déplace du haut vers le bas au cours du vieillissement, ce qui permet de suggérer que pour la mesure expérimentale et la surveillance de Tmax dans les enroulements des transformateurs en service, les capteurs de température à fibre optique couramment utilisés devraient être installés sur un intervalle de disques plutôt que sur un seul disque afin d’augmenter la probabilité de mesurer de façon effective Tmax. De façon spécifique en convection forcée, il a été observé d’une part que les valeurs de Tmax pour l’huiles MO sont similaires à celles des huiles esters NE et SE sur l’ensemble des Dva et d’autre part que sur les profils de température suivant l’axe z, les températures pour l’huile MO sont supérieures à celles des huiles NE et SE sur certains disques d’enroulement. Cette observation constitue un résultat positif à mettre à l’actif des huiles esters NE et SE comme huiles alternatives à l’huile minérale. Pour le cas particulier de l’huile MO avec boue, en convection naturelle comme en convection forcée, Tmax augmente de façon significative, cela pourrait affecter la durée de vie du papier cellulose d’où celle du transformateur en service.

For almost a century mineral oils have been the most used oils for cooling power transformers. The high level of flammability and the environmental impact of mineral oils are their main weaknesses. Thus, numerous studies on alternative oils (natural and synthetic esters) or replacement oils are being investigated all over the world. This research project falls within this framework. These alternative oils, in addition to being biodegradable, have very high fire and flash points compared to those of mineral oil. In addition, several scientific studies have shown that because of their high water absorption capacity, alternative oils improve the life of the solid insulation (cellulose paper) and that of the transformer. The overall objective of this research work has been to make a significant contribution to the study of high fire point oils as alternative oils to mineral oil for use in power transformers. The specific objectives associated with the overall objective can be summarized as follows: study the impact of thermal aging of oils on their physicochemical and thermofluidic properties; establish relationships between physicochemical and thermofluidic properties of oils; develop empirical equations for the thermofluidic properties of oils as a function of temperature in order to conduct the numerical study; develop a thermofluidic numerical model using the COMSOL Multiphysics 4.3a software to study the impact of aging on the cooling capacity of mineral oils and HFP (high fire point) oils from the developed empirical equations. In order to achieve the objectives, two studies were conducted: an experimental study and a numerical study. The experimental study consisted of making thermal aging in the laboratory and measuring the physicochemical and thermofluidic properties of the oils. The numerical study consisted of using the experimental results to develop a numerical model. The results obtained for this research work are given as follows:  Experimental results. For the study of the impact of thermal aging of oils on their physicochemical and thermo-fluidic properties: the synthetic ester (SE) oil is the most stable to oxidation, then comes the natural ester (NE) oil and finally the mineral oil (MO). In other words, thermal aging has a greater impact on mineral oil compared to alternative oils. With regard to the thermofluidic properties, the thermal aging has an impact on the kinematic viscosity and the density of the oils. But from the point of view of the diagnosis of the oils of the transformers, this impact is only considerable for the kinematic viscosity of the oil NE. For the study of the relationship between the various oil parameters: a direct relationship between the DDP (dissolved degradation products) and the increase in the kinematic viscosity of the NE oil during aging has been found. For the development of empirical equations as a function of temperature for the thermofluidic properties of oils: from measurements, empirical equations of dynamic viscosity, density, thermal conductivity and specific heat as a function of temperature for each aging duration have been developed. The reliability of these empirical equations has been demonstrated by comparing the values measured and those estimated from these equations. These equations can therefore be used to conduct multiphysical numerical studies because they reflect the physical reality.  Results of numerical simulations. The results obtained indicate that in natural convection as in forced convection, aging has a small impact on the value of the temperature of the hot spot (Tmax). The hot spot is always located in the upper part of the windings and moves from top to bottom during aging, suggesting that for experimental measurement and monitoring of Tmax in the windings of transformers in service, the Temperature sensors should be installed over a range of disks in order to increase the probability of effectively measuring Tmax. Specifically in forced convection, it was observed on the one hand that the values of Tmax for the MO oils are similar to those of the esters oils NE and SE on all the aging durations and on the other hand that on the temperature profiles along the z axis the temperatures for the mineral oil are higher than those of the oils NE and SE on some winding discs. This observation is a positive result for ester oils as alternative oils to mineral oil. For the particular case of mineral oil with sludge, in natural convection as in forced convection, Tmax increases significantly, it could affect the life of the cellulose paper therefore that of the transformer in service. The relevant results obtained in this research work contribute to advocate the use of NE and SE oils as alternative oils to mineral oil.