Séparation de l’humidité et du vieillissement du papier

Séparation de l’humidité et du vieillissement du papier

INTRODUCTION

De nos jours, garantir aux utilisateurs une énergie sûre et disponibilité dans les meilleures conditions est le souci majeur de tous les producteurs et les distributeurs de l’énergie électrique. Une rupture de la production de l’énergie entraînera toujours, pour les producteurs et les distributeurs, des conséquences extrêmement coûteuses [1, 2]. Il s’agit donc pour les producteurs et les distributeurs d’énergie électrique de disposer d’équipements de production, de transport et de distribution extrêmement fiables. Parmi ces équipements, les transformateurs de puissance sont non seulement les organes vitaux des réseaux de transport et de distribution de l’énergie électrique mais également les plus coûteux : En termes d’investissement, ces équipements représentent près de 60 % du prix d’un poste de transformation et les coûts associés à leur réparation ou à leur remplacement lorsqu’une panne survient, se comptent souvent en millions de dollars [1, 2]. Ils sont utilisés pour la conversion et le maintien du flux de puissance. Sur les réseaux électriques, les transformateurs sont utilisés dans les niveaux suivants : • À la sortie des centrales où la tension est élevée pour la transmission; • Dans les postes d’interconnexion ou de répartition; • Dans les sous station de distribution où la tension est réduite pour être adaptée à la tension de la distribution; • Dans les postes de distribution où la tension est réduite pour être adaptée au niveau de la tension d’utilisation des entreprises et des résidences (voir figure 1) [3].
Bien que leur durée de vie excède souvent les 30 ans, les défaillances peuvent survenir et ce en fonction des conditions d’utilisation et d’exploitation. Les principales causes de pannes des transformateurs sont les suivantes : Foudre/surtension, courant de fuite, détérioration des isolants, maintenance inadéquate/humidité, mauvaise connexion, défaut de fabrication, surcharges. Ces différentes causes des pannes des transformateurs sont principalement dues à une défaillance du système d’isolation qui par la même occasion a une influence significative sur leur durée de vie.
CO A* WE SO AI A, IN DUST»

PROBLEMATIQUE

Sachant que la durée de vie des transformateurs de puissance à isolation papier/huile est rigoureusement limitée par la durée de vie de l’isolation papier des enroulements, il s’avère nécessaire de mettre en place des moyens de surveillance de l’isolation des transformateurs à partir des mesures et des analyses des différents facteurs caractéristiques des isolants liquides (huile) et solides (papier). Ces mesures permettront de disposer de données nécessaires à la prise des décisions, à savoir si : • Le remplacement ou le traitement de l’huile est nécessaire pour cause de vieillissement, de présence d’humidité, de gaz dans le transformateur ou de sous produits liés à la dégradation de l’huile et du papier, • Un séchage du transformateur est nécessaire pour cause de présence d’humidité dans le papier isolant, • Le transformateur doit tout simplement être ré-bobiné.
À ce niveau se pose les problèmes suivants : 1) Pour connaître l’état de l’huile d’un transformateur, on en prélève un échantillon, sans démonter le transformateur et on le fait analyser en laboratoire. Mais-en ce qui concerne le papier, le processus du contrôle de son état est beaucoup plus complexe du fait qu’il faut d’abord mettre le transformateur hors tension puis procéder à son démontage afin d’en prélever un échantillon qui sera ensuite analysé: Ce processus est très coûteux car en plus des désagréments causés par la coupure de l’énergie électrique, il faut prendre en compte les frais de démontage et remontage.
II existe deux techniques de diagnostic des isolants liquide et solide par la spectroscopie diélectrique à savoir les mesures effectuées dans le domaine temporel et celles effectuées dans le domaine fréquentiel. Les mesures effectuées dans le domaine fréquentiel permettent d’obtenir des informations globales oncernant le taux d’humidité et l’état du vieillissement de l’isolation papier aux
très basses fréquences, ce qui nécessite un temps extrêmement long d’environ 15 heures (uniquement pour une mesure). Évidemment, cette opération entraine l’immobilisation du transformateur pendant un temps; ce qui n’est pas acceptable par une unité de production.

OBJECTIFS DE L’ÉTUDE

Cette étude vise à améliorer l’interprétation de la spectroscopie diélectrique pratiquée sur les transformateurs de puissance pour en faire un outil de diagnostic capable de donner des informations fiables et précises sur l’état de la dégradation de l’isolation solide. Les informations qui découleraient de ces études permettront de prévenir les pannes et d’évaluer la durée de vie résiduelle dans le cadre de la gestion de la durée de vie d’un transformateur installé. L’atteinte de cet objectif principal reposera sur les objectifs spécifiques suivants :

Le premier objectif spécifique

Ce premier objectif intermédiaire peut être ainsi défini : Création d’une base de données fiable à partir des mesures effectuées par la technique FDS (Frequency Domain Spectroscopy), sur des échantillons de papier (diélectriques solide) dont le niveau de dégradation est contrôlé au laboratoire par un vieillissement accéléré. Le but de ce premier objectif est de trouver une corrélation entre ces mesures FDS, que Ton peut effectuer sans le démontage du transformateur, et le degré de polymérisation (DP) qui indique l’état de vieillissement du papier. Ainsi, après avoir effectué une mesure FDS, sur des équipements électriques de puissance, on pourra avoir une information claire sur l’état de dégradation du papier isolant.

Le deuxième objectif spécifique

Le second objectif spécifique concernera la conversion des mesures effectuées dans le domaine temporel au domaine fréquentiel. Il s’agit ici d’élaborer des techniques qui nous permettront de pouvoir à partir des mesures effectuées dans le domaine temporel par la technique PDC (Polarization Depolarization Current), de convertir et d’exporter ces mesures vers la technique FDS (domaine fréquentiel). Le but de ce deuxième objectif est de diminuer considérablement le temps de mesure en effectuant seulement la mesure du courant de polarisation par la technique PDC et de la convertir dans le domaine fréquentiel (technique FDS : frequency domain spectroscopy) vu que le temps nécessaire pour la mesure de la FDS est beaucoup plus long que celui du PDC.

MÉTHODOLOGIE

Dans un premier temps, une étude bibliographique a été réalisée afin de comprendre les mécanismes de dégradation de l’isolation (liquide et solide) des transformateurs, d’être informé sur les travaux antérieurs déjà effectués concernant le sujet du travail demandé. L’étude bibliographique a permis non seulement de dégager les objectifs du travail à réaliser, mais surtout de pouvoir définir les étapes à suivre (travaux à réaliser) pour l’atteinte des objectifs. C’est ainsi que pour le premier objectif intermédiaire, l’étude sera réalisée dans le domaine fréquentiel (technique FDS) selon les étapes suivantes:

Séparation de l’humidité et du vieillissement du papier

Le déroulement de l’étude de cette partie se fera selon les étapes suivantes :Préparation des échantillons Cette phase consiste à : • Déterminer le nombre d’échantillons de papier et la quantité d’huile nécessaire. • Dégazer et à sécher l’huile sous vide (humidité < 5 ppm) • Sécher le papier sous vide (<1 mbar), pendant 48 heures à une température de 60°C • Imprégner le papier • Vieillir de l’huile et du papier: le vieillissement se fera à une température contrôlée de 115 °C dans un four en présence de catalyseurs en cuivre (3 g/1), pendant 250 heures, 500 heures, 750 heures et 1000 heures. • Après le vieillissement, nous ferons varier le degré d’humidité (0,5%, 2% et 5%) de chaque échantillon avant les mesures des différents paramètres.

Mesures

Pour chaque niveau de vieillissement et chaque degré d’humidité, nous allons mesurer les paramètres suivants : PAPIER PARAMÈTRE MESURÉ Le facteur de dissipation (tan 6) Le facteur de puissance Le déphasage (argZ) Le module de l’impédance L’humidité Le degré de polymérisation (DP) Courant de polarisation dépolarisation APPAREIL IDA 200 Titreur coulométrique Karl Fischer 831 KF Viscosimètre PDCconçuàlSOUME

Analyse des résultats

Les analyses vont consister: En premier lieu, à rassembler tous les résultats des mesures des différents paramètres afin de constituer une base de données fiable et de faire ensuite une analyse statistique dans le but de trouver une corrélation entre ces différents paramètres mesurés et l’état de vieillissement de l’isolation solide (papier). Il s’agira ici de mettre en évidence une relation entre l’effet du vieillissement et de l’humidité sur le papier afin de pouvoir les séparer.
En second lieu, l’analyse consistera à entraîner différents types de réseaux de neurones en utilisant la base de données formée ainsi que les différents résultats obtenus de l’analyse statistique, afin de déterminer le type de réseaux de neurones permettant de donner une décision concernant l’état de vieillissement et la teneur en eau de l’isolation solide.

Conversion des mesures effectuées dans le domaine temporel au domaine fréquentiel.

Les travaux de cette partie consisteront à la mesure du courant de polarisation effectué dans le domaine temporel par la technique PDC. Le courant de polarisation sera par la suite analysé et traité par des méthodes et des algorithmes afin de le convertir dans le domaine fréquentiel. La conversion consiste en la décomposition des mesures du courant de polarisation, en une somme de fonctions exponentielles dont le but est de représenter les mesures du courant par une fonction analytique afin de déterminer sa transformée de Laplace et par la suite, déterminer la réponse fréquentielle de l’impédance du diélectrique. Cette conversion permet de diminuer considérablement le temps de mesure vu que le temps nécessaire pour la mesure de la FDS est beaucoup plus long que celui du PDC.

ORGANISATION DU MÉMOIR

Pour rendre compte au mieux des travaux entrepris, ce rapport sera structuré autour de sept chapitres. Le premier permettra de situer le lecteur en lui permettant d’avoir une vue d’ensemble, de se faire une idée générale du contenu de ce mémoire et par la même occasion être situé sur le travail effectué. Le deuxième chapitre est consacré à l’étude bibliographique qui débutera par une
présentation générale des transformateurs et de leur système d’isolation y compris les mécanismes de vieillissement et de dégradation des isolants qui seront également présentés, ainsi qu’un rappel sur la polarisation des isolants. Ce chapitre sera clos par une présentation des travaux de recherches antérieurs concernant la thématique du travail demandé; ce qui permettra d’orienter le travail à effectuer. Le troisième chapitre est consacré à la présentation des matériels et des méthodes de mesure utilisés dans la partie expérimentale de ce travail. Les méthodes utilisées seront conformes aux normes ASTM [4]. Le quatrième chapitre concernera la création de la base de données à partir des résultats des mesures effectuées qui permettront d’aborder l’analyse et l’interprétation des résultats des mesures afin d’aboutir à une possibilité de la séparation de l’effet.

Table des matières

REMERCIEMENTS
RÉSUMÉ
ABSTRACT
LISTE DES FIGURES ..
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ABRÉVIATIONS ET SYMBOLES
TABLE DES MATIÈRES
CHAPITRE 1 
INTRODUCTION GÉNÉRALE 
1 INTRODUCTION
2 PROBLEMATIQUE
3 OBJECTIFS DE L’ÉTUDE
3.1 Le premier objectif spécifique
3.2 Le deuxième objectif spécifique
4 MÉTHODOLOGIE
4.1 Séparation de l’humidité et du vieillissement du papier
4.2 Conversion des mesures effectuées dans le domaine temporel au domaine fréquentiel
5 ORGANISATION DU MÉMOIRE
6 ORIGINALITÉ ET AVANTAGES
CHAPITRE 2 
REVUE DE LITTÉRATURE
2.1 Introduction
2.2 Présentation générale des transformateurs de puissance
2.2.1 Constitution des transformateurs de puissance
2.2.2 Présentation de l’isolation des transformateurs de puissance
2.3 Étude du phénomène de la polarisation des matériaux diélectriques
2.3.1 Polarisation statique
2.3.2 Différents types de polarisation
2.3.3 Fonction de réponse d’un diélectrique dans le domaine du temps
2.3.4 Expression des courants de polarisation et de dépolarisation
2.3.5 Fonction de réponse d’un diélectrique dans le domaine des fréquences
2.3.6 Facteur de dissipation diélectrique ou pertes diélectriques
2.3.7 Circuit équivalent d’une isolation en courant alternatif
2.4 Les mesures diélectriques des courants de polarisation et de dépolarisation
2.4.1 Les mesures dans le domaine du temps
2.5 État de l’art des travaux rapportés dans la littérature
2.5.1 Séparation de l’humidité et du vieillissement du papier
2.5.2 Conversion des mesures effectuées dans le domaine temporel au domaine fréquentiel
2.5.3 Conclusion 
CHAPITRE 3 
MATÉRIELS ET MÉTHODES DE MESURES
3.1 Introduction
3.2 Mesure de l’humidité
3.3 Préparation des échantillons
3.4 Mesure du facteur de dissipation diélectrique
3.5 Mesure du degré de polymérisation (DP\/)
3.6 Conclusion 
CHAPITRE 4 
ANALYSE ET INTERPRÉTATION DES RÉSULTATS
4.1 Mesure du degré de polymérisation du papier
4.2 Effet de l’humidité
4.3 Effet du vieillissement
4.4 Effet de la température
4.5 Analyse du facteur de dissipation en fonction de la fréquence
4.6 Effet de l’humidité et du vieillissement sur le rapport entre facteur de puissance et le facteur
4.7 Effet de l’humidité et du vieillissement sur l’aire comprise entre la tangente delta et facteur
4.8 Effet de l’humidité et du vieillissement sur le rapport entre facteur de dissipation et le facteur
4.8.1 Analyse des valeurs du rapport du facteur de dissipation (tanô) et du facteur de puissance
4.9 Conclusion 
CHAPITRES
PRÉDICTION PAR RÉSEAUX DE NEURONES
5.1 Introduction
5.2 Vue d’ensemble des réseaux de neurones
5.3 Présentation de la base de données
5.4 Mise en œuvre du réseau
5.4.1 Le prétraitement
5.4.2 L’apprentissage
5.4.3 La validation
5.5 Constitution du réseau de neurone utilisé
5.6 Présentation des résultats 1
5.7 Analyse des résultats et conclusion
CHAPITRE 6 
CONVERSION DES MESURES EFFECTUÉES DANS LE DOMAINE TEMPOREL AU DOMAINE
6.1 Introduction
6.2 Modélisation du papier imprégné des transformateurs par le modèle étendu de Debye
6.3 Principe
6.4 Estimation du courant de polarisation mesuré
6.5 Détermination de l’expression de l’impédance du diélectrique
6.6 Conclusion et analyse des résultats
CHAPITRE 7 
CONCLUSIONS GÉNÉRALES ET RECOMDATIONS 
7.1 Conclusions générales 
7.2 Recommandations pour les travaux futurs
7.2.1 Impact du vieillissement sur les mesures diélectriques
7.2.2 Influence de l’imprégnation sur la dégradation du papier
7.2.3 Reconnaissance du vieillissement pas les réseaux de neurones
BIBLIOGRAPHIE

Télécharger le rapport complet