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Submitted on 1 Jan 1994
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Phénomènes d’électrisation des matériaux isolants pour transformateurs de puissance
L. Peyraque, A. Béroual, C. Boisdon, F. Buret
To cite this version:
L. Peyraque, A. Béroual, C. Boisdon, F. Buret. Phénomènes d’électrisation des matériaux isolants pour transformateurs de puissance. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1994, 4 (7), pp.1295-1304.
�10.1051/jp3:1994202�. �jpa-00249184�
J. Phys. III France 4 (1994) 1295-1304 JULY 1994, PAGE 1295
Classification Physic-s Abstracts
68.45 73.408 77.00
Phknomknes d'61ectrisation des matkriaux isolants pour transformateurs de puissance
L. Peyraque ('), A. Bdroual (2), C. Boisdon (') et F. Buret (2)
(J) Jeumont-Schneider Transforrnateurs, 84 avenue Paul Santy, 69371, Lyon Cedex 08, France (~) Ddpartement d'Electrotechnique, CEGELY (URA 829 C-N-R-S-), Ecole Centrale de Lyon,
B-P- 163, 69131Ecully Cedex, France
(Re~u 1e 30 noiembie 1993, rdvisd et acceptd 1e lr'aiSri1 19941
Rksumd, Dans les transformateurs de puissance, la circulation d'huile h travers les canaux de
refroidissement en fibre cellulosique (carton isolant) est h l'origine d'une sdparation de charges.
L'dtude de ce phdnomdne d'dlectrisation statique est prdsentde, tout d'abord h travers un dispositif permettant d'dtudier la separation de charges crddes par le mouvement du carton dans l'huile.
Celui-ci a permis de mettre en Evidence l'influence de plusieurs paramdtres comme la vitesse, la
temp6rature, l'humidit6 et le traitement des huiles et cartons ainsi quo la nature du carton sur cette charge. Le second dispositif prdsentd permet de classer )es huiles selon leur niveau de cr6ation de charges. Une corrdlation semble s'6tablir entre la densitd de ces charges et les grandeurs caractdristiques de l'huile telles que la conductivitd, la ngiditd didlectrique et la teneur en eau.
Abstract, In power transformers, the oil flowed through the cooling ducts m coil assembly induces
a static charge separation. The study of this static electrification phenomena is presented through a device allowing to investigate the charge separation generated by the rotating motion of a
transformer pressboard in oil. This permits to show the influence of various parameters such as
velocity, temperature, moisture and processing of oils and pressboards as well as their nature on this electrical charge. We also present another device allowing to classify oils according to their level of charge production. It appears from our results that a correlation exists between the density
of the~e charges and the characteristics of oil such as conductivity, electric strength and water content.
1, Introduction,
L'apparition de nouveaux matdriaux isolants, l'utilisation de techniques de purification de plus
en plus sophistiqudes permettant d'obtenir des huiles de trbs haute rdsistivitd, ainsi que
l'amdlioration des mdthodes de sdchage pour minimiser l'humidification des matdriaux
cellulosiques en particulier, ont permis d'amdliorer les niveaux d'isolement. L'augmentation
des tensions et des puissances de transformateurs et la diminution de leurs gabarits, ont conduit
h la mise en wuvre de systbmes de refroidissement par circulation d'huile h des ddbits de plus
en plus importants.
L'dcoulement forcd de cette huile, ainsi que son contact avec les surfaces cellulosiques, sont h l'origine de la crdation de charges statiques. Celles-ci sont en effet produites grhce aux phdnombnes de sdparation, de migration et de relaxation de charges h l'interface solide/1iquide [1, 2]. Ainsi, une double couche dlectrique est crdde par absorption de charges par le
didlectrique solide. En gdndral, le papier se charge ndgativement et l'huile positivement [3, 4], Les propridtds physico-chimiques de l'interface solide/liquide, la vitesse d'dcoulement, la
tempdrature, la teneur en eau de l'huile, l'humiditd du solide isolant et son dtat de surface
(rugositd en particulier) sont autant de parambtres dont peut ddpendre le degrd d'dlectrisation.
L'objet de la prdsente dtude est de mettre en dvidence l'influence de certains de ces
parambtres sur le mdcanisme d'dlectrisation statique pour diffdrents couples de matdriaux
solide/1iquide utilisds dans l'isolation des transformateurs. Nous prdsentons dgalement les
techniques expdrimentales perrnettant d'dtudier les caractdristiques fondamentales de sdpara-
tion de charges aux interfaces ainsi qu'un dispositif de mesure de la tendance h la charge des huiles lors de leurs passages h travers un filtre et pouvant servir de base h une comparaison
entre les huiles.
2. Techniques expdrimentales,
Deux dispositifs de mesure sont utilisds l'un, basd sur une cellule d'essai dite
«
de type
CIGRE », pour la mesure de la charge produite lors du contact huile/carton et l'autre pour
apprdcier la tendance h la charge d'une huile donnde.
2. I CELLULE D'ESSAI
«
TYPE CIGRE ». Elle est issue d'une synthbse entre Ies cellules de test de l'industrie pdtrolibre et celles ddjh utilisdes dans le passd par l'industrie dlectrotechnique [5, 6]. Elle est constitude d'un disque tournant mdtallique recouvert sur ces deux faces du
matdriau solide h dtudier (carton dans notre cas) et immergd dans une cuve d'huile d'essai oh il
peut dtre mis en mouvement grhce h un petit moteur dlectrique (Fig. I ). Le disque, de diambtre
150 mm et d'dpaisseur 6 mm, est placd au centre de la cuve de diambtre 250 mm et de hauteur 80 mm.
Ce systbme, rdalisd en aluminium, permet de quantifier la charge recueillie sur le disque. En effet, grhce h un dlectrombtre, on peut mesurer le courant crdd sur le disque et s'dcoulant h la
masse (Fig. 2). Celui-ci est mesurd sur une pdriode de 30min, le courant transitoire
apparaissant en ddbut de rotation (durant les premibres minutes de l'essai) n'est pas pris en
considdration. La cellule et l'appareil de mesure sont placds dans une cage de Faraday.
Nous utilisons deux types d'huiles neuves, l'une naphtdnique (huile HI ), l'autre parafinique (huile H2) en association dans diffdrentes configurations avec deux types de carton Cl et C2
d'dpaisseur 2 mm. C2 est un carton prd-compressd, plus dense, plus dur et dont la surface est moins lisse que celle de Cl. La viscositd des huiles HI et H2 h 20 °C est comprise entre 17 et 20 cst.
2.2 DISPOSITIF DE MESURE DE LA TENDANCE I LA CHARGE DES HUILES. Pour compldter les
mesures prdcddentes, nous utilisons un autre dispositif qui permet de connaitre et de quantifier
la tendance d'une huile h crder des charges au passage d'un filtre [7]. Ce systbme permet entre autre, de comparer les diffdrentes huiles et de corrdler leur tendance h la charge avec leurs
propridtds didlectriques (tenue didlectrique, conductivitd), leur teneur en eau et leur vieillisse- ment.
Son principe consiste h forcer une huile, supposde dlectriquement neutre au ddpart, h travers
un filtre cellulosique. Une sdparation de charges s'opbre alors. L'huile se charge positivement
et le filtre ndgativement. Ainsi, on obtient la quantitd de charges crdde par dcoulement, pour
une unitd de volume d'huile donnde. Si Q est la charge, V Ie volume d'huile dcould et I le
N° 7 ELECTRISATION DES ISOLANTS POUR TRANSFORMATEURS 1297
CARTON DISQUE
METALLIQUE
HUILE ISOLE
RECHAUFFEURD'HUILE
Fig. I. Cellule type CIGRE pour la mesure de l'dlectrisation statique d'un couple carton-huile.
jTest cell CIGRE type for the static electrification measurement of pressboard-oil couple.]
MOTEUR
ELECTROMETRE DEMESURE
ET ENREGISTREMENT
Fig. 2. -Dispositif de mesure des charges dlectrostatiques sur cellule CIGRE.
[Measuring system of electrostatic charges with CIGRE test cell.]
AIRCOMPRIME
CAGEDE FARADAY
~ SERINGUE
PORTE FILTRE VANNE
VERS ELECTROMETRE
Fig. 3. Description et principe de la mesure de la tendance h la charge des huiles.
[Description and principle of the measuring method of the electrostatic charging tendency of oils.]
courant moyen, la densitd de charge p est donnde par la relation
p
=Q/V
=
lt/V
=
I/(V/t)
=
courant de charge/ddbit d'huile.
Cette densitd de charge est connue sous le terme anglais
«Electrostatic Charging Tendency
»(E.C.T.). Cependant, les mesures ddpendent du type de filtre utilisd et des conditions de
mesure. Cette mesure est effectude grhce h une couronne mdtallique entourant le filtre et relide
h un dlectrombtre. Elle permet, h travers la mesure du courant s'dcoulant du filtre h la masse, de connaitre la charge dans l'huile. Le filtre utilisd est une feuille de cellulose trbs poreuse, prdvu
pour une filtration de 3 ~Lm ; it est changd aprds chaque essai.
3. Rdsultats expdrimentaux discussion,
3. I ESSAIS PARAMfTRIQUES DES COUPLES CARTON/HUILE. MESURE DU COURANT MOYEN,
L'dtude des diffdrents couples carton/huile montre que le courant moyen I est peu affectd par l'huile, mEme si l'huile H2 semble crder ldgbrement plus de charges que Hi (Tab. I). En revanche, la nature du carton et son dtat de surface ont une influence remarquable, I est plus
dlevd avec le carton C2 (3 h 6 fois) qu'avec Cl, et ce pour [es deux types d'huile. La rugositd
de la surface semble dtre h l'origine de cette diffdrence. En effet, le carton C2 prd-compressd a
Tableau 1.
TYPE TYPE COURAWS MOYENS
DHUIE DE CARTON A
huile HI cwon Cl w5,5
huile HI canon C2 w27 7
huile H2 canon Cl .6 3
huile H2 canon C2 w30,3
N° 7 fLECTRISATION DES ISOLANTS POUR TRANSFORMATEURS 1299
une rugositd de surface de loo ~m alors que celle de Cl est de 35 ~m (soit un rapport de I'ordre de 3).
Les courants crdds par dlectrisation varient dgalement avec la tempdrature et la vitesse de
rotation du disque. les rdsultats obtenus en faisant varier la tempdrature de 20 °C h 80 °C et la vitesse de rotation de 80 h 160 tr/min, confirment la tendance plus prononcde h I'dlectrisation
du carton C2 par rapport h Cl.
La caractdristique courant moyen-vitesse de rotation (Fig. 4), suit une fonction croissante
quasi-lindaire de la forme :
1 (pA
=k V (tr/min )
,
k est une constante, comprise entre 0,15 et 0,5, ddpendant du couple carton-huile.
ioo go 80
/ 70 HlwC2
£~ 60
50
40 H2.Cl
30 20
lo Hl.Cl
o
60 70 80 90 loo l10 120 130 140 150 160
VITESSE DE ROTATION Jours/minutes)
Fig. 4. Evolution des courants en fonction de la vitesse de rotation dans le cas de la cellule CIGRE pour diffdrents couples huile-carton.
[Currents i-s. rotating velocity in the case of OGRE test cell for different oil-pressboard couples.]
Des essais compldmentaires nous ont permis de confirmer cette lindaritd pour des vitesses de
rotation dtendues h 430tr/min. Une telle lindairtd apparait souvent dans les Etudes sur
maquettes tubulaires pour des rdgimes d'dcoulement laminaires [3, 8]. Pour ce mfime type de maquettes, la ddpendance des courants et des densitds de charges en fonction de la vitesse peut Etre plus que lindaire en rdgime turbulent [3, 9]. L'augmentation du courant avec la vitesse, dans le cas des cellules d'essai h disque rotatif, a dtd dgalement rapportde par d'autres
chercheurs [6, 10] elle est attribude h la composante normale de ddplacement du fluide sur le
disque.
En ce qui concerne l'influence de la temp6rature sur le courant (Fig. 5), elle est plus
importante que celle de la vitesse de rotation du disque. Le cycle de mont6e en temp6rature est de 3 h 4 h la mesure des courants est effectu6e tars d'une phase de d6s6quilibre hygrom6trique
entre l'huile et le carton. La croissance continue du courant avec la temp6rature se retrouve
dans la mesure de la tendance h la charge des huiles et sur d'autres dispositifs exp6rimen-
taux [8, iii-
1,6 1,4
1,2 H2-Cl
0,8 o,6 0,4 0,2 o
0 10 20 30 40 50 60 70 80
TEMPERATURE~°C)
Fig. 5. Evolution des courants en fonction de la tempdrature dans le cas de la cellule CIGRE pour diff6rents couples huile-carton.
[Currents vs. temperature in the case of CIGRE test cell for different oil-pressboard couples.]
Le traitement des huiles (filtration et s6chage) et celui des cartons (s6chage) influent
6galement sur la valeur des courants. Les r6sultats peuvent pr6senter des diff6rences allant
jusqu'h 50 %.
Quant h l'influence de la teneur en eau de l'huile sur les niveaux de courants, elle est relativement mod6rde lorsque le carton et l'huile sent h l'6quilibre hygrom6trique (Fig. 6),
comme cela a 6t6 rapports par Radwan et al. [12].
120
ioo
( ~~
Hi,c~
I
~ 60
Hi-ci
~ i
4a
Huile 20
o
0 5 lo 15 20 25 30
TENEUR EN EAU DE L'HUILE(p.p.m.)
Fig. 6. Influence de la teneur en eau de l'huile sur [es niveaux de courants dans le cas de la cellule CIGRE pour diffdrents couples huile-carton.
jcurrents vs water content of oil in the case of CIGRE test cell for different oil-pressboard couples.]
N° 7 ELECTRISATION DES ISOLANTS POUR TRANSFORMATEURS 1301
3.2 MESURE DE LA TENDANCE h LA CHARGE DES HuiLEs. La tendance h la charge d'une
huile a 6t6 6tud16e en fonction de plusieurs paramktres.
3.2, I Influence de la teneur en eau et de la tempdrature. Pour studier l'influence de la
teneur en eau, nous avons testd deux huiles, avant et aprks reprise d'humiditd h l'air libre
l'une h forte tendance h la charge (huile H3), l'autre h trks faible tendance h la charge (huile H4). Nous remarquons (Tabl. II) que l'influence de la teneur en eau dans le cas de l'huile H4 est r6duite. Cependant, les r6sultats sent discutables car pouvant dtre influenc6s par des
paramktres non contr616s ou par (es incertitudes sur les mesures.
Tableau II.
TYPE TENEUR EN EAU E.C.T.
DEUIE (p. p-m-) c/m3
huile neuve H3 sdche 5 363
huile neuve H3 hunfide 16 182
huile en service H4 sdche 6 4
huile en serdce H4 hunfide 13 IS
L'ensemble des mesures effectu6es au Iaboratoire montre que (es huiles h trks forte teneur en eau ant g6n6ralement une faible tendance h la charge. Pour les teneurs en eau usuelles, la
dispersion des points de mesure est trks importante (Fig. 7). La siccit6 a plus d'importance vis- h-vis de la mesure dans le cas des huiles h forte E. C-T- du type H3. Des r6sultats similaires ant 6t6 obtenus par ailleurs [13, 14].
MO
< ~z 400
~ E 350
( b 300
,
o ~ 250
' 'f fj 200
a « 150
11 ~ loo
~ ° 50
0
,"
0 5 lo 15 20 25 30
TENEUR EN EAU DE L'HUILE (p.p.m.)
Fig. 7. Influence de la teneur en eau sur la tendance h la charge des huiles mindrales.
[Influence of the water content on the charging tendency of mineral oils.]
D'autre part, la densit6 de charge est trks sensible h la pr6sence d'humidit6 dans le filtre de
l'appareil de mesure. Le tableau III montre l'importance de la teneur en eau avec des filtres non
Tableau III.
TYPE E.C.T.
DEUIE C/rn3
huile H5 + filtre sec 252
huile H5 + filtre hurfide 363
huile H6 + filtre see 325
huile H6 + filtre hunfide 312
s6ch6s dent la teneur est de 4 % h 6 % et des filtres s6ch6s h I %. Ii apparait donc prudent de faire des mesures avec une siccit6 contr616e.
La tendance h la charge croit dgalement avec la tempdrature, atom que dans un
transforrnateur, [es densitds de charge sent maximales pour une temp6rature de 40 °C h 60 °C.
Une bonne reproductibilit6 des essais implique donc une temp6rature connue et constante.
3.2.2 Coiidlation entie propi"idtds didlectriques et tendance d la charge. Nous avons testd
une cinquantaine d'huiles min6rales d'origines diverses. Sur l'ensemble des huiles test6es, it est possible de tracer les courbes de valeur de l'E.C.T. en fonction de la conductivitd ou de
l'angle de pertes d161ectriques, comme le montre la figure 8. Nous constatons que la tendance h la charge d'une huile est plus faible pour un faible angle de pertes, donc une faible
conductivit6. Cette constatation se vdrifie particulibrement bien pour les huiles h irks faibles E-C-T- Au-dell, la dispersion des points est plus grande. Des r6sultats similaires ant did
obtenus par d'autres laboratoires [4, 15].
450
< ~z 400
~ E 350
300 o " 250
$ fl 200
a « 150
'I loo
,
'
~ O 50
' '0
'0,00E+ 2,00E. 4,00E. 6,00E- 8,00E. I,00E. I,20E.
00 12 12 12 12 ii ii
CONDUCTIVITE (Ohm.m)-I
Fig. 8. Tendance h la charge des huiles mindrales en fonction de la conductivitd.
[Charging tendency of mineral oils i,s. conductivity.]
D'autre part, on constate que les huiles h forte tenue didlectrique sent celles qui ant une forte tendance h la charge, contraitement h ce h quoi on s'attendait au vu des r6sultats sur l'angle de penes. La dispersion des points de mesure est ici plus faible (Fig. 9).
450
~
-400
~ i 350
" d 300
# ~ 250
fl 200
'§ $ 150
w X loo
~ ° 50
0 20 40 60 80 loo
TENUE DIELECTWQUE (kY~
normC.£J. ise.is03
Fig. 9. Corrdlation entre la tendance h la charge des huile~ et leur rigiditd didlectnque h 50 Hz.
[Correlation between the charging tendency of oils and their dielectric strength at 50 Hz-1
N° 7 ELECTRISATION DES ISOLANTS POUR TRANSFORMATEURS 1303
Les r6sultats obtenus montrent que les huiles vieillies [16], en service ou en stockage de
tongue dur6e, ant une E-C-T- plus forte. Le degr6 d'oxydation de l'huile est 6galement un
paramktre d6favorable pour la tendance h la charge [15, 17]. Ce paramktre est lid h l'angle de perte.
Nous avons 6galement observ6 qu'une forte tendance h la charge est g6n6ralement
accompagn6e d'une faible tension interfaciale de l'huile, confirmant les r6sultats obtenus par ailleurs [13].
Remarquons qu'actuellement, it n'existe pas de consensus sur [es types de
«container
»
