Introduction

Dans les transformateurs électriques, l’isolation est principalement garantie par la somme de matières solides telles que le papier kraft et les liquides isolants, principalement des huiles minérales.Cette innovation importante a été inventée et revendiquée par le célèbre scientifique Nikola Tesla sur la base du brevet 655838 « Méthode d’isoler les conducteurs électriques » du 14 août 1900 « mon invention, tout type de fluide capable de répondre aux besoins (75 …) tel que l’huile, peut être utilisé (130 …) » et de nombreux autres brevets.

L’isolant solide, également appelé papiers isolants, provient essentiellement des processus de production de papier kraft (cf. la section Définitions pour approfondir).Le résultat est un produit qui offre des propriétés surprenantes à la fois d’un point de vue mécanique et électrique.Dans ce secteur, le papier kraft a trouvé l’une de ses applications les plus importantes, en particulier dans l’isolation des équipements électriques à très haute tension.Au fil du temps, grâce à l’utilisation d’additifs spécifiques, le papier kraft a été amélioré, en particulier en ce qui concerne son comportement par rapport à la température, donnant lieu à des papiers TUP (Thermal Upgraded Paper, papier thermique amélioré).Des produits à base de polymères synthétiques sont également disponibles sur le marché, comme par exemple le matériau Nomex de Dupont qui est un composé à base de méta-aramide.

En ce qui concerne les isolants liquides, en plus des huiles minérales, il existe aussi des esters naturels, des esters synthétiques, des fluides de silicone et, dans le passé, aussi des huiles askarels à base de PCB.

Les papiers isolants sont imprégnés d’huile ou d’autres liquides isolants.À la fin du cycle d’imprégnation (typiquement sous vide, 60-80 °C, et au moins de 72 heures), le papier kraft est imprégné d’huile jusqu’à 150-180 % de sa masse initiale.

Le papier kraft couvre les conducteurs en cuivre ou en aluminium afin de les isoler électriquement, et est donc exposé à une contrainte thermique, électrique et mécanique.
La principale propriété du papier est le DP (CEI 450:1974), le degré de polymérisation.Ce paramètre caractérise les propriétés du matériau qui sont principalement les suivantes : résistance à la traction, allongement, résistance à la flexion, module d’élasticité, facteur de perte, résistivité spécifique.Un papier kraft neuf typique a un DP entre 1 000 et 1 500.
Pendant le cycle de vie réelle du transformateur, le DP décroît progressivement jusqu’à ce qu’il atteigne la valeur d’environ 200 (réduction d’environ 80 % par rapport à un papier neuf), à laquelle correspond normalement le terme de fin de vie thermique.Dans cet état, le papier perd ses propriétés mécaniques sans perdre cependant ses propriétés électriques, qui restent suffisantes pour assurer l’isolation requise.

L’isolation électrique peut être considérée comme le cœur du transformateur : si elle est insuffisante, la conséquence directe en est la panne électrique (figurée comme une crise cardiaque).En présence de forts arcs électriques, la panne peut enflammer l’huile isolante, qui est combustible, en provoquant des explosions et des incendies du transformateur et des accidents majeurs possibles.

En termes très simples, on pourrait dire que la vie thermique des isolants solides (fabriqués à partir de papier kraft sans additifs spécifiques anti-vieillissement) est estimée à environ 160 000 heures de charge nominale du transformateur.

Concrètement, pour un transformateur de génération type élévateur (GSU) d’une centrale thermique, ayant une disponibilité opérationnelle de 7 500 heures/an et un profil de charge moyenne de 80 %, en l’absence de problèmes particuliers, la durée de vie thermique conventionnelle est estimée à environ 25 ans.Pour le même transformateur, installé dans une centrale hydroélectrique, et donc ayant un profil de charge moyenne de 40 % (saisonnalité de l’eau), en l’absence de problèmes particuliers, la durée de vie thermique conventionnelle est estimée à environ 50 ans.Par contre, les réacteurs shunt, qui sont dimensionnés pour fonctionner de manière intensive à des valeurs proches de la charge nominale, ont une espérance de vie thermique plus courte.

La durée de vie du transformateur dépend non seulement de la vie thermique des papiers, mais aussi d’autres cofacteurs tels que les défauts électriques qui, en évoluant en des pannes électriques, interrompent la disponibilité opérationnelle de la machine.En présence de ce problème, il est également nécessaire d’évaluer l’option de remplacement du transformateur ; dans ce cas, il convient de choisir une machine qui répond aux exigences d’éco-conception, en particulier en termes de réduction des pertes de charge et de réduction des émissions en termes équivalents de CO2.(lien vers la directive)

Les processus de dégradation du papier thermique sont le résultat de l’interaction de 3 mécanismes: l’hydrolyse, l’oxydation, la pyrolyse.
Les processus de dégradation du papier sont en soi extrêmement complexe, lorsqu’il est ajouté aux effets de la dégradation du pétrole (en raison de l’interaction huile-papier) tirer des mécanismes influencés par plusieurs facteurs critiques de formalisation quantitative difficile. Les facteurs critiques qui déterminent le vieillissement des papiers isolants sont la température, l’eau, l’oxygène, si le système est fermé ou ouvert, les cycles thermiques et la relation avec le profil de charge du transformateur.

Sea Marconi a mené une série d’expériences pour déterminer la relation entre la dégradation du papier et la dégradation du pétrole. L’un de ces tests, conformément à la norme CEI 62535 (dans un flacon de 20 ml, avec 10 ml d’huile, correspond à un échantillon de cuivre d’environ 3 g en poids, enveloppé à environ 23 g de papier, à 150 ° C pendant 72 heures), ont montré une perte de poids progressive du papier (jusqu’à 25%) et une diminution du DP (jusqu’à 80% par rapport à la valeur à l’état neuf et 60% de moins que par rapport à une huile initialement non acide) augmentant l’acidité de l’huile analysée (TAN). (voir le graphique ci-dessous).

Les principaux produits de dégradation des papiers isolants sont: l’eau, les acides, le CO2, le CO, les composés de furane, le méthanol, l’éthanol, les particules. Ces composés amalgament les boues résultant du vieillissement de l’huile formant la suspension totale.