L'huile de transformateur est un composant critique dans les transformateurs de puissance, jouant un rôle pivot dans l'isolation et la dissipation de la chaleur. Lorsque cette huile est chauffée, une série de changements physiques et chimiques se produit, qui ont des implications de loin pour les performances et la fiabilité du transformateur.

Changements physiques

Altération de la viscosité

L'un des changements physiques immédiats de l'huile de transformateur lors du chauffage est une réduction de la viscosité. La viscosité est une mesure de la résistance d'un fluide à l'écoulement. Aux températures de fonctionnement normales, l'huile de transformateur a une certaine viscosité qui lui permet de circuler en douceur dans le transformateur, facilitant un transfert de chaleur efficace. À mesure que la température augmente, l'énergie cinétique des molécules d'huile augmente. Cette énergie accrue fait que les molécules se déplacent plus librement, réduisant les forces intermoléculaires qui les maintiennent ensemble. Par conséquent, l'huile devient moins visqueuse et coule plus facilement. Par exemple, dans un grand transformateur de puissance fonctionnant sous une charge lourde, où la température interne peut monter en flèche, la viscosité réduite de l'huile de transformateur lui permet d'atteindre rapidement tous les points chauds du transformateur, améliorant le processus de refroidissement. Cependant, si la température baisse considérablement après le chauffage, la viscosité de l'huile augmentera à nouveau, ce qui pourrait potentiellement entraver son débit si la viscosité devient trop élevée.

Extension de volume

Le chauffage conduit également à l'expansion de l'huile de transformateur. Semblable à la plupart des substances, l'huile de transformateur se dilate à mesure que sa température augmente. En effet, l'augmentation de l'énergie cinétique des molécules les fait se séparer plus loin, entraînant une augmentation du volume. Le coefficient d'expansion thermique de l'huile de transformateur est relativement faible mais toujours suffisamment significatif pour être pris en compte dans la conception du transformateur. Dans les transformateurs scellés, cette expansion de volume peut entraîner une augmentation de la pression interne. Si la pression dépasse les limites de conception de l'enceinte du transformateur, elle peut entraîner des problèmes tels que des fuites d'huile ou des dommages aux joints. Pour atténuer ce problème, les transformateurs sont souvent équipés de dispositifs comme les conservateurs. Un conservateur est un petit réservoir connecté au réservoir du transformateur principal. Il fournit un espace pour que l'huile se développe et se contracte à mesure que la température change, en maintenant une pression relativement stable dans le transformateur.

Changements chimiques

Accélération d'oxydation

Lorsque l'huile de transformateur est chauffée, en particulier en présence d'oxygène, le taux d'oxydation s'accélère. L'oxydation est une réaction chimique où les hydrocarbures de l'huile réagissent avec l'oxygène. Cette réaction peut conduire à la formation de divers produits d'oxydation, y compris des acides organiques, des peroxydes et des boues. Les acides organiques peuvent abaisser le pH de l'huile, le rendant plus acide. Cette acidité peut corroder les composants métalliques dans le transformateur, tels que les enroulements et le réservoir. Les peroxydes sont des composés instables qui peuvent réagir davantage avec l'huile, provoquant plus de dégradation. La formation de boues est particulièrement gênante car elle peut obstruer les canaux et filtres de refroidissement dans le transformateur. Les canaux obstrués réduisent la capacité de l'huile à circuler, ce qui à son tour altère l'efficacité de refroidissement. Pour ralentir l'oxydation, les antioxydants sont souvent ajoutés à l'huile de transformateur pendant le processus de fabrication. Ces antioxydants fonctionnent en réagissant avec les radicaux libres générés lors de l'oxydation, empêchant ainsi la réaction en chaîne qui conduit à une dégradation approfondie de l'huile.

Décomposition

À des températures élevées, l'huile de transformateur peut se décomposer. Les molécules d'hydrocarbures complexes dans l'huile se décomposent en composés plus simples, tels que les gaz (par exemple, le méthane, l'éthane et l'hydrogène) et les composés organiques volatils. Cette décomposition est une réaction endothermique, ce qui signifie qu'elle absorbe la chaleur. Le processus de décomposition peut être accéléré par des facteurs tels que la présence de catalyseurs métalliques (à partir des composants du transformateur), le stress électrique à haute tension et l'exposition prolongée à des températures élevées. La formation de gaz dans le pétrole peut être un problème grave. Les bulles de gaz peuvent perturber les propriétés d'isolation électrique de l'huile. Dans les applications à haute tension, ces bulles peuvent agir comme des sites de dégradation électrique, entraînant des arcs et des dommages potentiels au transformateur. De plus, la libération de composés volatils peut contribuer à la formation de mélanges inflammables à proximité du transformateur, augmentant le risque de feu.

Impact sur les performances du transformateur

Dégradation de l'isolation

Les changements physiques et chimiques de l'huile de transformateur dus au chauffage ont un impact direct sur ses propriétés d'isolation. La réduction de la résistance diélectrique, causée par les produits d'oxydation et les bulles de gaz à partir de la décomposition, signifie que l'huile est moins efficace pour isoler les composants électriques dans le transformateur. En conséquence, le risque d'arc électrique et de circuits courts augmente. Dans les cas extrêmes, une ventilation complète de l'isolation peut se produire, conduisant à un défaut électrique majeur. Cela entraîne non seulement l'échec du transformateur, mais peut également perturber l'alimentation électrique à une grande zone, entraînant des pertes économiques importantes.

Inefficacité de refroidissement

Chauffage - Les changements induits dans l'huile peuvent également entraîner une inefficacité de refroidissement. La formation de boues et le colmatage des canaux de refroidissement, en raison de l'oxydation et de la décomposition, entravent le débit de l'huile. Avec un débit réduit, l'huile ne peut pas transférer efficacement la chaleur des points chauds du transformateur. Cela fait monter la température dans le transformateur, créant un cercle vicieux. Des températures plus élevées accélèrent la dégradation de l'huile, ce qui réduit encore ses capacités de refroidissement. Si l'inefficacité de refroidissement n'est pas traitée, le transformateur peut surchauffer, ce qui peut endommager permanente les enroulements et autres composants critiques.

En conclusion, l'huile de transformateur de chauffage déclenche une série de changements physiques et chimiques qui peuvent compromettre sévèrement les performances et la fiabilité des transformateurs. Comprendre ces changements est crucial pour le bon fonctionnement, la maintenance et la conception des transformateurs afin d'assurer la livraison sûre et efficace de l'énergie électrique.