C’est au début des années 1930, que le phénomène de la destruction des équipements causée par la présence de bulles de gaz, fut observé pour la première fois
dans les câbles remplis d’huile [112]. En effet, les gaz ont une tenue diélectrique faible et leur présence peut conduire au claquage complet de l’isolation. Depuis lors, les équipements électriques sont conçus de manière à minimiser la possibilité de la formation des gaz.
Il est bien connu que l’application d’un champ électrique élevé ou d’une contrainte thermique entraine la décomposition de certains hydrocarbures donnant naissance à des gaz dans les transformateurs. Cette décomposition commence par la rupture des liaisons de valence dans les molécules d’hydrocarbures instables, comme illustré à la figure suivante.
Figure 5.1 Rupture des liaisons covalentes des molécules d’huiles [52].
Dans le cas des décharges électriques, ce sont les électrons libres qui fournissent l’énergie nécessaire pour briser les liaisons covalentes (environ 4 eV ≈ 386 kJ mol-1) [8, 52]. La rupture des liaisons covalentes des molécules donne naissance à des radicaux libres de différentes tailles et poids moléculaires. En fonction de leur taille, ces radicaux libres peuvent se recombiner pour former des gaz, des produits dissous dans l’huile ou des
suspensions colloïdales insolubles. Les suspensions insolubles entrainent la formation de la cire ou de la boue, obstruant la structure poreuse du papier ou restant absorbées sur sa grande surface tandis que la présence des bulles de gaz peut entrainer des décharges partielles. Ces deux actions entrainent la dégradation de l’isolation, réduisant ainsi les performances et la durée de vie des transformateurs [8, 52, 113].
De ce fait, la connaissance de la résistance au dégagement gazeux et à la décomposition des fluides isolants sous décharge électrique, est d’une importance capitale pour les concepteurs des équipements électriques et les ingénieurs responsables de l'exploitation [9].
Les procédés existants pour déterminer la tendance des liquides à la génération de gaz (résistance au dégagement gazeux) peuvent être subdivisés en deux groupes.
Le premier est la méthode de Pirelli modifiée (ASTM D2300 et CEI 60628), qui a été développée à l'origine pour les câbles à huile. Les décharges électriques étaient directement initiées au-dessus de la surface du liquide isolant. Toutefois, ce procédé n'a pas été largement accepté du fait que les décharges entrainaient seulement la production de vapeur créant une ainsi une confusion dans l’interprétation des résultats [10].
La seconde méthode consiste à initier les décharges électriques directement dans un échantillon d’huile. Contrairement à la première méthode, cette dernière indique clairement, si l’huile absorbe ou rejette des gaz produits, évitant ainsi la confusion au niveau de son interprétation par les ingénieurs. En effet, tant que le dégagement gazeux
d'une d'huile isolante neuve ou vieillie ne peut pas être mesuré avec précision, il est pratiquement impossible d'identifier les variables susceptibles de provoquer une augmentation de la concentration des gaz de défaut. Dans cette optique, la norme ASTM standard D 6180 a été élaboré [7, 8].
Dans le cadre de cette thèse, la mesure de la tendance des huiles à la production de gaz sous l’effet d’une décharge électrique a été effectuée selon la norme ASTM D 6180. Le schéma du dispositif d’essai constitué par une cellule de type Merrell définie par la norme ASTM D 6180 est donné dans la Figure 5.2.
Les électrons libres sont générés par une électrode en cuivre de forme cylindrique de 15 mm de diamètre et 10 mm de hauteur, scellé dans un erlenmeyer de capacité 500 ml. L’électrode permettant de générer la tension de 10 kV est placée au centre de la cellule de décharge et suspendue au-dessus de l’huile.
Figure 5.2 Cellule de décharge utilisée pour le test de stabilité.
Plusieurs travaux ont été entrepris par les scientifiques afin de de mieux comprendre les causes de l’apparition des bulles de gaz et leur impact sur les caractéristiques physiques, chimiques et électriques des huiles.
Les travaux de pionnier effectués par P. Wong et E. O. Foster, ont permis de décrire le mécanisme par lequel les champs électriques sous haute tension interagissent avec les huiles isolantes [22, 114]. Leurs recherches approfondies dans ce domaine ont montré que les électrons injectés dans le diélectrique sont émis à partir de la surface des conducteurs lorsque les gradients de potentiel sont très élevés. Les gaz produits résultent de la collision de ces électrons avec des molécules d’hydrocarbures [8, 22].
Les travaux réalisés par V. Shrinet and M. J. Patel concernant les effets de la température, des contraintes électriques, du vieillissement sur la tendance au dégagement gazeux des huiles ont permis de mettre en évidence l’effet prépondérant de la température sur les contraintes électriques. Ils ont également montré que la quantité des gaz émis est proportionnelle à la tension d’essai, mais dépend également de la composition des huiles et de l’environnement dans lequel s’effectue le test [113].
D’autres équipes ont axé leurs investigations sur l’impact de l’application d’une contrainte électrique sur les paramètres physicochimiques des huiles. Les comportements de différentes huiles sous champ électrique élevé ont également été étudiés. Après l’application d’une tension de 10 kV sur diverses huiles conformément au standard ASTM D 6180, les différentes équipes ont abouti aux conclusions suivantes :
L’application d’une contrainte électrique entraine une augmentation du facteur de dissipation diélectrique, des produits de décomposition dissous dans l’huile, de la turbidité, de la teneur en eau, du nombre d’acidité total, tandis qu’on observe une diminution de la tension interfaciale [8, 10, 52, 115].
Les décharges de faible énergie produisent principalement de l’hydrogène et du méthane, avec la production de petites quantités d’éthane et d’éthylène [7, 9]. Selon les techniques d’Analyse des Gaz Dissous, en présence de papier (cellulose), la décharge entrainera la production de quantités comparables de CO et CO2 [85, 86].
La présence des composés aromatiques réduit la production de gaz. Ainsi, l’ajout de quelques pour-cent d’un liquide fortement aromatique permet de rendre gaz-
absorbante une huile qui ne l’est pas [18, 48].
Les esters naturels présentent une résistance au dégagement gazeux plus élevés que les esters synthétiques et les huiles minérales [116, 117].
Nous notons enfin qu’au meilleur de nos connaissances, tous les travaux effectués jusqu’à ce présent, ne concerne que l’huile sans présence de papier. Il s’avère donc indispensable de prendre en compte l’influence du papier sur la tendance à la production des gaz du système d’isolation.