Etude des phénomènes d'électrisation statique dans les transformateurs de puissance à débit d'huile force

par Laurent Peyraque

Thèse de doctorat en Sciences. Génie électrique

Sous la direction de Abderrahmane Beroual.

Soutenue en 1995

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon , en partenariat avec Laboratoire d'électronique, optoélectronique et microsystèmes (Ecully, Rhône) (laboratoire) .

mots clés

• Charge statique
• Huile
• Carton
• Transformateurs électriques
• Amorçage (électricité)
• Diélectriques
• Isolation électrique

Résumé

Dans les transformateurs de puissance modernes, la circulation d'huile a travers les canaux de refroidissement du bobinage (sur des surfaces cellulosiques) est a l'origine d'une separation de charges statiques. Celles-ci sont effet produites a l'interface solide/liquide par le flux d'huile entrainant une partie de la double couche electrique, formee par l'absorption preferentielle des ions negatifs par la surface cellulosique. Ainsi, le papier se charge generalement negativement et l'huile positivement. Ce phenomene d'electrisation statique peut etre a l'origine de certains cas de claquages de transformateurs. Dans un premier temps, nous presentons les techniques experimentales de laboratoire mises en uvre pour etudier les caracteristiques fondamentales de separation de charges aux interfaces ainsi qu'un dispositif de mesure de la tendance a la charge des huiles. L'objet de cette etude est de mettre en evidence l'influence de certains parametres sur l'electrisation statique des differents couples solide/liquide utilises dans l'isolation des transformateurs, tels que les proprietes physico-chimiques des materiaux isolants (solides et liquides), la vitesse d'ecoulement, la temperature, la teneur en eau de l'huile, la rugosite de l'isolant, la presence de certains additifs dans l'huile. L'influence du cycle de vieillissement de l'huile ainsi que les gradients de temperature et des phases transitoires d'humidite sont egalement etudies. Enfin, une part importante est consacree a l'influence de l'electrisation statique sur la tenue dielectrique des materiaux isolants. La seconde partie de ce travail est consacree aux etudes sur transformateurs reels de l'effet des parametres principaux de l'electrisation statique, tels que la temperature, la tension appliquee, la vitesse de circulation et la nature de l'huile. Les zones de predilection de separation de charges et les conditions permettant d'obtenir un niveau d'electrisation maximal sont mis en evidence. En particulier, les principaux parametres, dont la tenue dielectrique, sont etudies sur un transformateur prototype dont nous avons surdimensionne le debit afin de quantifier une marge de securite des transformateurs de puissance vis a vis de l'electrisation statique. Une formulation mathematique du courant et de la charge mises en jeu dans les transformateurs de type cuirasse est egalement proposee.

Titre traduit

Study of static electrification induced by oil flow in power transformers

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Résumé

In modern power transformers, oil circulation through cooling ducts of the coils (on cellulosic surfaces) create static charges. These charges are generated at the interface solid/liquid by oil flow which carries a part of the double layer, resulting of the preferential absorption of negative ions by the cellulosic surface. Therefore, the paper is negatively charged and the oil positively. This static electrification phenomenon can lead to he breakdown of large power transformers. In the first part of the report, we present the experimental arrangements developed in laboratory in order to study the fundamental characteristics of charge separation at the interfaces as well as a method allowing the measurement of the charging tendency of insulating oils. The aim of this research is the understanding of the influence of some parameters on static electrification, for different insulating materials used in power transformers, such as physical and chemical properties of the solid and liquid, velocity, temperature, oil humidity, roughness of pressboard and additives. The influence of oil ageing, temperature gradients and humidity transfers are also studied. An important part of this work is devoted to the influence of static electrification on the dielectric strength of insulating materials. The second part of this report deals with the studies carried out on real transformers on the influence of the major parameters of static electrification : the temperature, the applied voltage, the oil flow and the nature of the oil. The predicted zones of charge separation and the conditions allowing a maximum level of static electrification are studied. For this, we have equipped a transformer with an exceptional set-up allowing to evaluate the safety margin of shell type transformers towards the static electrification phenomena. By using a simple model, we calculate the current and the charge generated in shell type transformers by the streaming oil.