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

Résumé

In recent years, environmental constraints have become major elements to be considered in the choice of insulating liquids. To address this concern, the present research has been directed towards biodegradable insulation liquid alternatives to mineral oils. Despite the advancement of knowledge on biodegradable oils, the application of low pour point esters in the insulation system of the transformers operating in cold climates remains a challenge. Apart from many positive characteristics of esters, the study of the propagation of "streamers" have indicated the poor performance when compared to mineral oils. To contribute the advancement of knowledge in this field, prebreakdown and breakdown phenomena of thermally aged low pour point esters have been studied. Tests with mineral oil were carried out in parallel for comparison. The breakdown voltage measurements were performed (in a needle-plane electrode configuration), at different aging conditions with different high voltage (HV) electrode tip radii under AC voltage. This allows studying the effect of chemical impurities (aging by-products) as assessed by some physicochemical properties (acidity, particles count, turbidity, and UV spectroscopy) on partial discharges (PD) and breakdown characteristics. The complete analysis is carried out for the liquids having pour point less than -50°C with those including a mineral oil (MO) and two synthetic ester liquids (SE1 and SE2). Changes in discharge properties such as particle partial discharge inception voltage (PDIV), breakdown-streamers inception voltage, inception electric field, and breakdown voltage are reported as a function of the HV electrode tip radius and aging factor. To assess the level of liquid degradation, UV spectroscopy, turbidity, particle count, and acidity measurements were performed. To highlight the influence of aging on streamer inception, suitable correlations have been reported between decay products, acidity, and PDIV. It is observed that the breakdown properties of SE1 are better than that of SE2 and comparable to MO. This underlines the potential use of the SE1, at least with regard to pre-breakdown phenomena. Importantly, the acidity and concentration of decay products evolve linearly with PD inception and streamer propagation regardless the tip radius. The calculation of the electrical onset in insulating fluids is of general interest for designing HV liquid filled equipment. As the physical processes of the breakdown are not yet fully understood, design engineers could rely these correlations when calculating the onset strength of a specific design layout.

Depuis quelques années, les contraintes environnementales sont devenues des éléments majeurs à prendre en compte dans le choix des liquides isolants. C’est pourquoi la recherche sur les isolants liquides biodégradables, alternatives aux huiles minérales, connait un engouement. Malgré l’avancée des connaissances sur les huiles biodégradables, l'application d'esters à bas point d'écoulement pour l'isolation des transformateurs exploités dans les régions à climat froid reste un défi. Malgré de nombreuses caractéristiques positives des esters, des études concernant la propagation des « streamers » ont indiqué qu’elle se comporteraient moins bien que les huiles minérales. Pour contribuer à l’avancée des connaissances dans ce domaine, les tensions de préclaquage et de claquage d'esters à bas point d'écoulement vieillis thermiquement ont été étudiées. Des essais avec huile minérale ont été réalisés en parallèle à des fins de comparaison. Les mesures de tension de claquage ont été effectuées (dans une configuration d'électrode pointe-plan), à différentes durées de vieillissement avec différents rayons de l’électrode haute tension (HT) sous tension alternative. Cette approche permet d'étudier l'effet des impuretés chimiques (sous-produits du vieillissement) évaluées par certaines propriétés physico-chimiques (acidité, nombre de particules, turbidité et spectroscopie UV) sur les caractéristiques de décharges partielles (DP) et de dégradation. L'analyse est effectuée pour des liquides ayant un point d'écoulement inférieur à -50°C, une huile minérale (MO) et deux esters synthétiques (SE1 et SE2). Les changements dans les propriétés des décharges telles que la tension seuil d’apparition de décharges partielles (PDIV), la tension d’apparition des décharges streamers, le champ électrique seuil d’apparition des décharges électriques et la tension de claquage, sont rapportés en fonction du rayon de l'électrode HT et du degré de vieillissement. Pour évaluer le niveau de dégradation des liquides, des mesures par spectroscopie UV-visible, de turbidité, du nombre de particules et d'acidité ont été effectuées. Pour mettre en évidence l'influence du vieillissement sur l’initiation des décharges streamers, des corrélations appropriées ont été rapportées entre les produits dissous, l'acidité et le PDIV. Il est possible d’observer que les propriétés de claquage de SE1 sont meilleures que celles de SE2 et comparables à celles de MO. Ce qui souligne le potentiel d’utilisation du SE1, à tout le moins en ce qui a trait aux phénomènes de pré-claquages. Il est également important de mentionner que l’acidité et la quantité relative des produits dissous évoluent de manière linéaire avec l'apparition des DP et la propagation des décharges streamers, indépendamment du rayon de l’électrode HT. Le calcul du champ électrique d’initiation des décharges dans les fluides isolants est d'un intérêt général pour la conception d'équipements HT remplis de liquide. Étant donné que les processus physiques du claquage ne sont pas encore entièrement compris, les ingénieurs concepteurs pourraient se fier à ces corrélations pour calculer le seuil d’initiation d’une disposition spécifique.