DIRANA. Analyse de la réponse diélectrique et évaluation de la teneur en humidité dans les isolations huile-papier
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- Antoine Sauvé
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1 DIRANA Analyse de la réponse diélectrique et évaluation de la teneur en humidité dans les isolations huile-papier
2 Mesures diélectriques Pourquoi mesurer la réponse diélectrique? La mesure de la réponse diélectrique permet d obtenir des informations précieuses sur l état d une isolation haute tension. Les mesures types à la fréquence réseau risquent d aboutir à des résultats limités. L exposition de l isolation à une large bande de fréquences et la mesure de sa réponse diélectrique à diverses fréquences permettent d obtenir une évaluation plus approfondie de son état. Les effets de l humidité et de la contamination ionique sur les propriétés diélectriques de l isolation sont plus prononcés aux basses fréquences. Les effets de polarisation et les pertes diélectriques sont affectés par les diverses propriétés du matériau diélectrique à différentes fréquences. Parmi ces propriétés, on compte la teneur en humidité, la contamination ionique, produits de décomposition du papier et la temperature. Tension de test aux enroulements haute tension (HT) Garde Mesure du courant via les enroulements basse tension (BT) 2
3 Domaines d application Le DIRANA détermine les propriétés diélectriques en fonction de la fréquence. Il mesure le facteur de dissipation et la capacité des systèmes d isolation, par exemple sur des machines tournantes. Il est utilisé pour déterminer la teneur en humidité dans l isolant huile-papier pour les applications suivantes : Transformateurs de puissance Câbles isolés par du papier Traversées Transformateurs de mesure (TC/TT) Le DIRANA aide à la mise en oeuvre de ces applications grâce à un grand choix de schémas de raccordement possibles. L utilisateur est ainsi guidé pendant les mesures sur site. Étapes de la mesure La réponse diélectrique est mesurée par une mesure à trois bornes qui inclut la tension de sortie, le courant de mesure et une garde pour éviter les perturbations dues aux courants de fuite créés par des traversées sales ou des champs électromagnétiques. Si, par exemple, un transformateur à deux enroulements a été débranché du réseau : La tension de test est appliquée aux enroulements HT Le courant via est mesuré les enroulements BT La garde est connectée à la bride de la traversée (terre) Contrairement à la méthode d équilibre classique, la mesure peut être effectuée tout de suite. Il n est pas nécessaire d attendre que le transformateur refroidisse ou que l équilibre entre l humidité du papier et de l huile soit atteint. Deux canaux = gain de temps de 50 % Le DIRANA d OMICRON est le premier analyseur de réponse diélectrique qui est équipé de deux canaux d entrée. Un gain de temps significatif peut être obtenu en utilisant deux canaux. Par exemple, dans le cas d un transformateur à trois enroulements, la tension de test peut être appliquée à l enroulement BT tandis que les canaux de mesure sont connectés aux enroulements HT et tertiaires. Il en résulte un gain de temps pouvant atteindre jusqu à 50 %. Avantages: > > La large plage de fréquences étendue fournit un haut degré de précision et des mesures précises à tous les niveaux de température, ce qui n a jamais été réalisable par le passé > > Plusieurs systèmes d isolation peuvent être évalués > > Il existe un grand nombre de schémas de raccordement pour aider l utilisateur > > La technique de garde spéciale du DIRANA offre une protection contre les interférences de mesure > > Deux canaux de mesure réduisent notablement la durée du test 3
4 Humidité dans les isolations huile-papier Maintenance économique Dans les réseaux électriques, l isolation huile-papier est utilisée dans de nombreux appareils, comme par exemple les transformateurs, les traversées et les transformateurs de mesure. Face à la pression des coûts imposé par un marché dérégulé, le secteur de l énergie est passé d une approche de la maintenance basée sur le temps à une approche fondée sur l état. Cette évolution nécessite des outils de diagnostic fiables. Le DIRANA, par exemple, vous aide à établir vos priorités en matière de maintenance de votre parc de transformateurs en analysant l humidité du papier dans un isolant huile-papier. Le résultat du test donne une teneur en eau dans le papier, qui peut être comparée à d autres techniques d analyse de la teneur en humidité. Humidité dans les transformateurs L eau présente dans les transformateurs peut provenir de quatre sources: l eau résiduelle après séchage; l eau provenant de la cellulose et du vieillissement de l huile (oxydation); l eau issue des fuites au niveau des joints ou infiltrée durant des réparations; l eau due à la respiration. Par conséquent, même dans le cas d un transformateur non respirant, l humidité peut atteindre un seuil critique. L humidité qui pénètre dans les isolants huile-papier peut avoir de dangereux effets: elle réduit la tenue diélectrique, accélère le vieillissement de la cellulose (dépolymérisation) et entraîne l émission de bulles de gaz à des températures élevées. En règle générale, la partie solide des isolants telle que le carton, le papier ou le bois, retient la plupart de l eau, c està-dire fois plus que l huile. Ainsi, la teneur en humidité dans l isolant en papier est beaucoup plus importante que celle se trouvant dans l huile. Joints défectueux Humidité due au vieillissement Installation, réparation Humidité résiduelle Respiration 4
5 Pourquoi déterminer la teneur en humidité? Il faut disposer d une évaluation précise de la teneur en humidité pour décider si une autre action corrective, telle que le séchage sur site, s impose. Le graphique ci-dessous indique la relation entre la teneur en humidité et la saturation d humidité en fonction de la température pour permettre la conversion des valeurs mesurées. Comment évaluer les résultats? La norme CEI classe les isolations présentant une saturation d humidité de plus de 6 % comme modérément humides, ce qui équivaut à une teneur en humidité d environ 2,2 %. A ce niveau, les effets dangereux de l eau peuvent affecter l isolation. Par conséquent, une action corrective, telle que le séchage, doit être entreprise. L évaluation de l humidité selon la norme CEI est représentée ci-dessous. Extrêmement humide Catégories d humidité Modérément humide Sec Humide Augmentation de l humidité due à l eau Résultat de l évaluation La teneur en humidité relie la masse de l eau à la masse du matériau, tandis que la saturation d humidité relie la masse de l eau à la masse d eau maximum qu un matériau peut absorber. Avantages: > Détermination de la teneur en eau dans les isolants huile-papier pour une évaluation plus précise de l état > Des données quantitatives fiables pour pouvoir établir un programme de maintenance basé sur l état plus efficace > Une évaluation de la teneur en humidité basée sur les normes internationales 5
6 Evaluation de la teneur en humidité Pourquoi utiliser des mesures diélectriques pour déterminer la teneur en humidité? La méthode classique d échantillonnage de l huile nécessite un diagramme d équilibre pour évaluer la teneur en humidité dans les transformateurs et elle peut conduire à des évaluations inexactes. L application des diagrammes d équilibre classiques entraîne des résultats erronés en raison des incertitudes liées à l échantillonnage et aux mesures de l eau dans l huile. Si l on ajoute des constantes de temps longues pour les processus d équilibre, on obtient un très faible degré de précision. La réponse diélectrique, au contraire, est une méthode très fiable qui permet d évaluer la teneur en humidité dans l isolation papier avec un haut degré de précision. Evaluation de l humidité en mode automatique Fonctionnement Le DIRANA déduit le taux d humidité contenu dans le papier ou le carton à partir de propriétés telles que le courant de polarisation, la capacitance et le facteur de dissipation. Chacun de ces paramètres est fortement affecté par l humidité. Le facteur de dissipation tracé par rapport à la fréquence indique une courbe en S classique. Avec l augmentation de la teneur en humidité, de la température ou du vieillissement, la courbe se déplace vers des fréquences supérieures. L humidité influence les zones de hautes et basses fréquences. La section centrale linéaire de la courbe avec le grande pente reflète la conductivité de l huile. Les conditions géométriques de l isolation déterminent la crête qui est située à gauche de la pente. Facteur de dissipation 1 0,1 0,01 plus moins Humidité et vieillissement de la cellulose Conditions géométriques de l isolation Conductivité de l huile plus moins plus La détermination de la teneur en humidité par le DIRANA est basée sur une comparaison de la réponse diélectrique des transformateurs avec une réponse diélectrique modélisée. Un algorithme intégré compare les données mesurées aux données modélisées et calcule les données de géométrie, la teneur en humidité ainsi que la conductivité de l huile. Seule la température de l huile doit être saisie. 0,001 moins 0,001 Hz 1 Hz 1000 Hz Fréquence Paramètres ayant une incidence sur le facteur de dissipation en fonction de la fréquence 6
7 Logiciel convivial et efficace Le logiciel allie des connaissances spécialisées et une interface utilisateur intuitive. Deux modes d évaluation de l humidité sont proposés: un mode automatique et un mode avancé. Si nécessaire, un assistant logiciel est disponible pour aider à la réalisation de l évaluation. Evaluation de l humidité en mode avancé Des résultats fiables même avec des isolants huile-papier affectés par le vieillissement Le DIRANA compense les effets des produits conducteurs issus du vieillissement tels que les acides. Ces substances accroissent les pertes diélectriques de la même manière que l eau et peuvent ainsi entraîner une surévaluation de la teneur en eau. Le logiciel du DIRANA utilise un algorithme de compensation qui fournit des résultats fiables même avec des isolants huile-papier affectés par le vieillissement. Avantages: > Un schéma d interprétation scientifiquement éprouvé > Une analyse automatisée de la teneur en humidité et de la conductivité de l huile > Une compensation de la température et de la géométrie de l isolation > Des résultats fiables même avec des isolants huilepapier affectés par le vieillissement 7
8 Mesures innovantes avec OMICRON Le DIRANA d OMICRON détermine les propriétés diélectriques de l isolation dans une bande de fréquences étendue. Le système analyse la teneur en humidité dans l isolation huilepapier, sur la base du facteur de dissipation et de la capacité. Le DIRANA est donc bien adapté aux systèmes d isolation haute tension, comme par exemple pour les transformateurs de puissance, les transformateurs de mesure, les traversées, les câbles et les alternateurs. Méthode combinée dans les domaines temporel et fréquentiel Le DIRANA combine la méthode de mesure du courant de polarisation (PDC, Polarization Domain Current) dans le domaine temporel et la spectroscopie dans le domaine fréquentiel (FDS, Frequency Domain Spectroscopy), ce qui réduit de manière significative la durée du test par rapport aux techniques existantes. Les mesures dans le domaine temporel peuvent être essentiellement effectuées dans un temps très court, mais sont limitées aux basses fréquences. Au contraire, les mesures dans le domaine fréquentiel sont réalisables pour les hautes fréquences mais prennent énormément de temps pour les basses fréquences. Mesures PDC Courant Mesures FDS Temps Facteur de dissipation Fréquence FDS PDC DIRANA Durée du test Bande de fréquence La technique brevetée du DIRANA combine les avantages de ces deux principes. Elle recueille des données dans le domaine temporel entre 10 μhz et 0,1 Hz et dans le domaine fréquentiel entre 0,1 Hz et 5 khz. La réduction de la durée des mesures peut ainsi atteindre 75 % par rapport aux mesures exclusivement fréquentielles. Mesures DIRANA Facteur de dissipation Par exemple, l acquisition de données pour une mesure dans le domaine fréquentiel type de 1 khz à 0,1 mhz prend 11 heures, tandis que le DIRANA recueille ces données en moins de 3 heures. Le DIRANA transforme les courants dans le domaine temporel en courants dans le domaine fréquentiel pour une évaluation ultérieure. Fréquence 8
9 Evaluation fiable de l humidité avec le DIRANA L eau peut avoir de dangereux effets sur l isolation huile-papier; elle réduit la tenue diélectrique, accélère le vieillissement de l isolation papier et entraîne l émission de bulles de gaz à des températures élevées. De ce fait, il est capital pour l utilisateur du matériel de bien connaître la concentration d humidité. Interface utilisateur intuitive pour réaliser les mesures Le DIRANA analyse la réponse diélectrique pour déterminer la teneur en humidité du papier dans un isolant huile-papier. A cet effet, le logiciel utilise une base de données scientifiquement éprouvée pour comparer les valeurs mesurées. Cette opération est entièrement automatisée, seule la température de l huile doit être entrée. L évaluation automatisée compense les influences telles que la température, la géométrie de l isolation, la conductivité de l huile et les sous-produits issus du vieillissement. Les sousproduits issus du vieillissement apparaissent sous forme d eau et entraînent une surévaluation de la teneur en humidité et un séchage inutile. Pour sa part, le DIRANA compense ces influences et détecte ainsi l humidité en toute fiabilité même dans les isolants huile-papier affectés par le vieillissement. 9
10 Caractéristiques techniques Caractéristiques techniques Source de tension Encombrement / tension d alimentation Tension de mesure 200 V crête Dimensions (L x H x P) 260 x 50 x 265 mm Courant continu de sortie max. 50 ma crête Poids Instrument Mallette complète 2,3 kg 16 kg Facteur de dissipation, capacité Alimentation de 100 V CA à 240 V CA Plage du facteur de dissipation, résolution , 10-6 Fréquence de 50 Hz à 60 Hz Précision pour 1 mhz < f <100 Hz f < 1 mhz et f > 100 Hz Capacité Précision 1 % + 3 x % + 5 x 10-4 de 10 pf à 100 μf 0,5 % + 1 pf Etalonnage Etalonnage en option tous les deux ans Configuration PC requise Mesure du courant dans le domaine temporel (PDC, Polarization Domain Current) Plage, résolution Résistance d entrée 20 ma, 0,1 pa 10 kw Système d exploitation Processeur / Mémoire RAM Interface / Lecteurs Windows XP, Windows Vista, Windows 7 Pentium 1 GHz / 512 Mo USB 2.0 / lecteur de CD-ROM Précision 0,5 % ± 1 pa Conditions environnementales Spectroscopie dans le domaine fréquentiel (FDS, Frequency Domain Spectroscopy) Tension de mesure Courant de mesure 200 V crête 50 ma crête Température ambiante en fonctionnement de -10 à +55 C en stockage de -10 à +65 C Humidité relative 20 % à 95 %, sans condensation Pression atmosphérique 70 kpa à 106 kpa (stockage/fonctionnement) Plages pour les mesures combinées de PDC et FDS Fréquence 5 khz à 50 μhz (par extrapolation : 10 μhz à 50 μhz) Durée des mesures (basée sur la fréquence) 2 mhz à 1 khz environ 15 min. 100 μhz à 1 khz < 3 hh 10 μhz à 1 khz < 6 hh Tests logiciels GST (Grounded Specimen Test, test avec terre) GSTg (Test avec terre, y compris garde) UST (Ungrounded Specimen Test, test sans terre) Mesures avec équipement à tester mis à la terre Mesures avec équipement à tester et garde mis à la terre Mesures avec équipement à tester non mis à la terre 10
11 Le DIRANA est fourni dans une mallette robuste qui contient tous les accessoires nécessaires tels que les câbles de connexion avec les pinces, les enrouleurs, etc. Références commerciales Référence VE VEHZ0607 VEHP0072 Description détaillée Kit DIRANA complet Accessoires DIRANA Mallette de transport pour le DIRANA 11
12 OMICRON est une société internationale qui développe et commercialise des solutions innovantes de test et de diagnostic pour l industrie électrique. Les produits OMICRON offrent aux utilisateurs une fiabilité extrême dans l évaluation de leurs équipements primaires et secondaires. Des services dans le domaine du conseil, de la mise en service, du test, du diagnostic et de la formation viennent compléter l offre OMICRON. Des clients dans plus de 140 pays bénéficient déjà de la capacité d OMICRON à mettre en œuvre les technologies les plus innovantes dans des produits d une qualité irréprochable. Les centres de support implantés sur tous les continents leur offrent en outre une expertise et une assistance de tout premier plan. Tout ceci, associé à un réseau solide de partenaires commerciaux a contribué à faire de notre société un leader sur son marché dans l industrie électrique. France, Afrique Francophone OMICRON electronics France SARL 9 Rue De La Grande Ourse BP Cergy F Cergy Pontoise Cedex / France Téléphone : Télécopie : info@omicron-electronics.fr Europe, Moyen-Orient, Afrique OMICRON electronics GmbH Oberes Ried Klaus, Austria Téléphone : Télécopie : info@omicron.at Asie-Pacifique OMICRON electronics Asia Limited Suite 2006, 20/F, Tower 2 The Gateway, Harbour City Kowloon, Hong Kong S.A.R. Téléphone : Télécopie : info@asia.omicron.at Continent Américain OMICRON electronics Corp. USA 3550 Willowbend Blvd Houston, TX 77054, USA Téléphone : OMICRON Télécopie : info@omicronusa.com OMICRON L2027, Mai 2012 Ce document peut être modifié
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