Détection de l'humidité dans l'huile

Powercor Australia est le plus grand distributeur d'électricité de Victoria. Powercor a mis en œuvre un programme de surveillance de l'humidité en ligne sur les transformateurs à base de sondes d'humidité dans l'huile installées en permanence et portables, dont l'instrument portable de mesure de l'humidité Vaisala HUMICAP® MM70. Une huile de mauvaise qualité peut entraîner une faible rigidité diélectrique et même une défaillance. En traitant ou en remplaçant l'huile, on peut résoudre la plupart des problèmes de qualité d'huile mais, dans le cas de l'humidité contenue dans l'isolation papier des enroulements et des structures de support des enroulements, l'humidité revient rapidement. La surveillance de l'humidité offre un moyen de suivre cette récupération tout comme le séchage en ligne permet de gérer l'humidité dans l'huile afin que la marge diélectrique de l'huile soit conservée.

Mesure de l'humidité dans l'huile

Les sondes d'humidité mesurent deux quantités :

1. Aw : activité de l'eau, une saturation relative de l'humidité dissoute « active », fraction de 0 à 1.
2. T : température de l'huile en degrés Celsius.

Les sondes ont également un algorithme intégré en option qui fournit une sortie en ppm. La nouvelle formule d'huile est la valeur d'usine par défaut et d'autres peuvent être programmées si elles sont connues. En général, les valeurs en ppm des sondes sont inférieures à celles issues de la méthode de Karl Fischer (KF) pour déterminer la teneur en eau des échantillons d'huile. Ceci est probablement dû à l'eau liée dans les articles capturés par le titrage de Karl Fisher. Les résultats de saturation relative d'humidité par la méthode de Karl Fisher sont définis comme « Rs » dans ce qui suit. Tous les transformateurs mentionnés ici ont un noyau de 66/22 Kv.

Surveillance de l'humidité avec des sondes permanentes

12 transformateurs Powercor ont été équipés de sondes permanentes. Chacune fournit 2 sorties analogiques vers le système SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), ppm et température. Les transformateurs sélectionnés pour la surveillance étaient ceux présentant des problèmes de qualité d'huile connus, en général, des transformateurs assez vieux et dans certains cas fortement chargés. La plupart avait fait l'objet d'une régénération ou d'un remplacement d'huile ces derniers temps. L'emplacement préféré de la sonde dans les transformateurs avec champs d'éléments radiants détachés est la vanne de vidange inférieure de la conduite d'huile de retour entre le radiateur et le réservoir principal. La sonde se trouve ainsi dans le débit d'huile du thermosiphon du transformateur. Quand les champs des éléments radiants n'étaient pas détachés, l'emplacement choisi était l'une des vannes de vidange du radiateur inférieur pour des raisons similaires. Les sondes ont un joint de type coulissant, autrement dit, elles peuvent être installées très simplement par la vanne de vidange sans éteindre l'appareil.

Figure 1 : variation de l'humidité, transformateur ONAN de 10 MVA. La figure 1 du transformateur ONAN de 10 MVA prouve l'effet d'une augmentation de charge et d'une journée chaude. Remarquez comme l'humidité a culminé à 60 ppm et est restée ainsi pendant plusieurs jours. Le dernier niveau d'humidité KF provenant de l'échantillonnage de l'huile était de 30 ppm. Une charge élevée constante par temps chaud sur cette unité pourrait entraîner une humidité excessive et donc une faible marge diélectrique. La surveillance en ligne a montré que cette unité est un bon candidat à la déshydratation.

Figure 2 : exemple de comparaison d'humidité (SCADA), échelle en ppm. La connexion SCADA permanente permet d'effectuer des comparaisons entre des unités sœurs partageant les mêmes charge et conditions. Le transformateur présentant le moins d'humidité a été soumis à un séchage au four environ 5 ans auparavant.

Figure 3 : récupération de l'humidité après vidange et remplissage de l'huile. L'échelle est en ppm/deg C. Dans la figure 3, un transformateur ONAF de 20 MVA, volume d'huile de 17 000 litres, la vidange d'huile a été achevée le 28 octobre 2005 et l'entrepreneur a échantillonné l'huile à 11 ppm (KF). En quelques jours, les données de la sonde
ont révélé que les niveaux d'humidité s'étaient rétablis et oscillaient entre 16 et 37 ppm.

Sondes portables

Des sondes portables ont également été utilisées et Vaisala en a fourni 3 à Powercor. Elles ont pour l'instant été utilisées sur 20 transformateurs. Ces sondes sont alimentées sur batterie et ont suffisamment de mémoire pour stocker les données toutes les heures pendant environ 30 jours, ce qui correspond à la durée de vie de la batterie. Là encore, les emplacements choisis sont généralement les vannes de vidange de radiateur pour garantir un écoulement de l'huile à travers la sonde. Ces sondes portables offrent de la souplesse dans la mesure où un grand nombre de sites peut être surveillé. Une sonde s'installe et se programme en quelques minutes. Une visite de retour sur le site est nécessaire pour télécharger les données, effacer la mémoire pour le prochain cycle de journalisation et recharger la batterie si nécessaire.

Figure 4 : régulateur à faible humidité de 66 Kv. Dans la figure 4, un échantillon d'huile a montré une humidité anormalement élevée et une faible rigidité diélectrique, KF de 43 ppm à 22 C (Rs = 0,7) Diélectrique = 36 kV. Ces données étaient inattendues car l'unité venait de subir un séchage au four récent. Une sonde portable a été rapidement installée et les données ont montré de niveaux d'humidité faibles. Un deuxième échantillon d'huile a confirmé ces données : KF de 9 ppm à 15 C (Rs = 0,2) Diélectrique = 82 kV. L'échantillon d'huile initial était probablement contaminé.

Figure 5 : diminution spectaculaire de l'humidité.

La figure 5 provient d'un transformateur ONAF de 10/18 MVA. La diminution de l'humidité a coïncidé avec la mise en service d'un nouveau transformateur au niveau de la station, ce qui a permis de réduire considérablement la charge sur cette unité. En résumé, les sondes portables sont un moyen très pratique et économique de surveiller tout transformateur doté de vannes dans les emplacements appropriés.

Les transformateurs dépourvus de tels raccords pourraient également être équipés de sondes dans la vidange du réservoir principal ou dans les vannes d'échantillonnage. Toutefois, sans écoulement d'huile sur la sonde, les résultats peuvent être inexacts ou non représentatifs de la masse d'huile générale. Powercor utilise 2 sécheurs en ligne à tamis moléculaire sur les unités à tamis moléculaires. Ces unités sont montées sur chariot et éliminent l'humidité en pompant l'huile à travers des cartouches filtrantes contenant le matériau du tamis moléculaire.

Elles sont équipées d'une seule sonde d'humidité, qui peut surveiller l'huile entrante ou sortante. Cela dépend de la position d'une vanne de dérivation. Si l'humidité de l'huile en sortie est égale (ou supérieure) à l'humidité de l'huile en entrée, les cartouches filtrantes peuvent être saturées, ce qui signifie qu'elles doivent être remplacées. Chaque cartouche peut théoriquement contenir un litre d'eau et chaque sécheur contient 4 cartouches. Les cartouches sont assez chères et ne peuvent actuellement pas être recyclées. Ces unités sont conçues pour prélever l'huile en entrée au niveau du réservoir principal inférieur et la renvoyer vers le conservateur.

Cette conception a l'avantage d'éviter tout problème de relais Buchholz si de l'air pénètre dans le système. Elle a l'inconvénient d'exposer l'huile fraîchement séchée à l'espace libre du conservateur. Dans le cas de Powercor, cet espace libre est à ciel ouvert. Ces sécheurs ont été utilisés sur 9 transformateurs à ce jour et un résumé des résultats suit.

Tableau 1 : résultats du sécheur à tamis moléculaire de certains transformateurs

Remarque : les paramètres d'huile proviennent des échantillons d'huile (c'est-à-dire des tests KF et de rigidité diélectrique) à l'exception des paramètres d'huile ultérieurs S3 et L2, qui proviennent des sondes. L'humidité retirée estimée est basée sur le nombre de remplacements de cartouches et les relevés d'humidité à l'entrée et à la sortie du sécheur. Même si les cartouches filtrantes ont une capacité nominale d'un litre, on a estimé que, à mesure que la teneur en humidité diminuait, elles cesseraient d'éliminer l'humidité avant cela. Pour le prouver, des récipients de pesée ont été fabriqués et les cartouches ont été pesées immergées dans l'huile lorsqu'elles étaient neuves et à nouveau lorsqu'elles étaient « pleines ». L'augmentation du poids moyen résultant était de 641 grammes, ce qui indique une teneur en humidité de 0,641 litre. On a estimé que chaque jeu de filtres éliminait 2,6 litres d'humidité à des niveaux d'humidité de 10 à 20 ppm. On a aussi constaté que les performances du sécheur s'amélioraient nettement en ajoutant une rondelle d'étanchéité supplémentaire au niveau du serrage du filtre. Les sécheurs ne fonctionnaient pas en continu et étaient éteints régulièrement pour permettre aux niveaux d'humidité de se rétablir. De manière général, on décidait d'arrêter le filtrage lorsque les niveaux d'humidité restaient constants à moins de 20 ppm soit 0,2 Aw. Les sondes de surveillance Vaisala se sont avérées précieuses pour évaluer cela.

Figure 6 : surveillance du séchage. La figure 6 montre les données d'une sonde permanente sur le transformateur L2 pendant le séchage sur une période de 10 mois. Notez la diminution de l'humidité du sécheur, suivie de la récupération de l'humidité lorsqu'un nouvel équilibre entre l'humidité de la cellulose et l'humidité de l'huile est atteint. Notez également qu'à mesure que les niveaux d'humidité diminuaient, le degré de variation de l'humidité au cours de chaque cycle de charge quotidien diminuait également.

Sécheur avec papier filtre

Powercor a récemment acheté un autre sécheur en ligne avec papier filtre. Cette unité élimine l'humidité en pompant l'huile axialement à travers un rouleau de papier filtre. L'humidité migre de l'huile vers le papier tant que le papier est plus sec que l'huile. L'unité dispose d'un système contrôlé assez sophistiqué avec automate programmable industriel (API), qui peut sécher à nouveau le papier filtre après chaque cycle de filtration. L'unité est équipée de sondes d'humidité sur l'huile en entrée et en sortie, et offre une journalisation des données et une surveillance à distance. Le sécheur est équipé d'un piège à humidité pour collecter l'humidité retirée.

Sur cette unité, le durée de vie du filtre est beaucoup plus longue que sur les unités à tamis moléculaire. Le sécheur est relié à l'huile en entrée prélevée sur la vanne de vidange inférieure du réservoir principal et à l'huile en sortie fournie à la vanne de vidange d'huile supérieure. Des séchages ont été réalisés sur 3 transformateurs jusqu'à présent et un quatrième est en cours. Tableau 2 : résultats d'un sécheur équipé d'un filtre papier.

Remarque : les paramètres d'huile proviennent des échantillons d'huile (tests KF et de rigidité diélectrique). Ces séchages étant récents, aucune surveillance de l'huile de suivi n'a encore été réalisée. On prévoit une certaine récupération des niveaux d'humidité. Ce sécheur peut également fonctionner en mode « analyse » : le filtre est contourné et l'huile circule et est surveillée par l'une des sondes d'humidité. On obtient ainsi une surveillance et une capacité de séchage. Figure 7 : données de filtrage types. Remarque : l'échelle de l'axe gauche (Aw) est comprise entre 0 et 0,250 ; l'échelle de l'axe droit (température de l'huile en entrée) oscille entre 0 et 45 °C. Cet exemple montre le schéma caractéristique en dents de scie lorsque le filtre se remplit d'humidité et est à nouveau séché. Notez la diminution constante de l'humidité dans l'huile en entrée. Dans cet exemple, le temps de filtrage dure plus longtemps que nécessaire (12 heures) car l'humidité en sortie dépasse l'humidité en entrée.

Effort soutenu requis

La surveillance de l'humidité en ligne peut être un outil de surveillance précieux pour les transformateurs ayant des problèmes d'humidité, tout comme elle permet de localiser les transformateurs ayant des problèmes d'humidité que l'échantillonnage d'huile de routine ne détecte pas forcément. Une observation courante est qu'un événement unique de surcharge élevée de la température peut rapidement augmenter les niveaux d'humidité dans l'huile car l'humidité est chassée de la cellulose et, de manière significative, le retour de l'humidité aux niveaux antérieurs peut prendre du temps. Cependant, la surveillance seule ne résout rien. C'est l'action mise en œuvre suite à la surveillance qui permet d'améliorer l'état. Le séchage en ligne permet généralement d'améliorer rapidement la qualité de l'huile, mais cette amélioration n'est pas forcément permanente. La surveillance qui s'en suit doit être prudente et entraîne souvent un nouveau cycle de séchage. Un séchage en ligne efficace peut exiger un effort soutenu sur plusieurs mois.

Cet article a été publié pour la première fois dans Vaisala News 175/2007 (Colin Feely Plant Maintenance Engineer Powercor Ltd Melbourne, Australie).

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