Huile pour transformateur

Les huiles minérales pour transformateur sont principalement composées de quatre familles d'hydrocarbures : les paraffines, les naphtènes, les aromatiques et les alcènes[5]. La paraffine a le défaut de geler rapidement et d'empêcher l'exploitation des transformateurs par grands froids. Si le taux de paraffine est en dessous de 50 %, on parle d'« huile naphténique », s'il se trouve entre 50 et 56 % d'« huile intermédiaire », au-delà d'« huile paraffinique »[14].

Les aromatiques ont un effet sur le vieillissement de l'huile à double tranchant : à cause de l'effet qu'ils ont sur l'oxygène en présence de lumière ils dégradent l'huile[12], d'un autre côté leur production de phénols permet de détruire les radicaux libres sources de vieillissement[14]. Ils stockent le dihydrogène émis par les décharges partielles. Ils sont donc peu présents dans les huiles utilisées dans les transformateurs très sujets au vieillissement, ils sont par contre laissés dans les condensateurs et les traversées isolées. Les alcènes accélèrent également la dégradation de l'huile et sont donc éliminés[5]. Par ailleurs le soufre qui peut être présent dans l'huile doit être enlevé. Il est en effet fortement corrosif[15]. Les furanes, à savoir le 2-Furfural, doivent également être absents[16]. Pour limiter le vieillissement des additifs antioxydants sont ajoutés à l'huile, on parle alors d'huile inhibée, dans le cas contraire d'huile non inhibée[17] - [18]. Ces additifs disparaissent avec le temps, il convient donc de les renouveler[5].

Une huile minérale pour transformateur se doit d'être particulièrement sèche. La présence d'eau fait décroître de manière drastique la rigidité diélectrique de l'huile minérale[19]. Le cas échéant une pompe avec mécanisme de filtration peut être équipée sur l'appareil pour réduire cette valeur.

L'isolation papier du transformateur se décompose avec le temps dans l'huile. Ces fibres font décroître la rigidité diélectrique de l'huile[19].

En 2013, Shell annonce être capable de produire de l'huile synthétique isoparaffinique depuis l'usine de Pearl GTL. L'huile ainsi produite contient très peu de soufre et d'aromatique. Shell revendique que cette huile se dégrade moins vite avec le temps qu'une huile raffinée tout en conservant les mêmes propriétés de conductivité thermique et de fluidité[20] - [21].

Allure de la viscosité cinématique des différents types d'huiles pour transformateur[22] - [23] - [24] - [25] - [26].

La viscosité influe sur le transfert de chaleur, et par conséquent la montée en température de l'appareil[27].

La viscosité est aussi importante pour le démarrage à froid des transformateurs. Pour une huile minérale, la viscosité ne doit pas être supérieure à 1 800 mm²/s à -40°C[27] . En plus de la viscosité, d'autres paramètres influencent la « température minimale de démarrage en puissance » d'un transformateur (LCSET- Lowest Cold Start Energizing Temperature), tels que le point d'écoulement du fluide et la rigidité diélectrique du fluide à basse température (en effet, la présence d'eau libre dans le transformateur entraîne un risque important de défaut électrique).

La faible viscosité de l'huile minérale est un avantage pour la dissipation de la chaleur par rapport aux huiles de silicone ou à base d'esters[28].

La rigidité diélectrique doit atteindre des valeurs de 70 kV/2,5 mm[29] - [30]. Cette valeur de 280 kV/cm est à mettre en relation avec les 24,4 kV/cm de l'air sous condition normale[31]. La « tension de claquage » est une mesure de sa capacité à résister à une tension électrique dans un appareil[32].

Si l'huile pour transformateur n'est pas stable à l'oxydation (action de l'oxygène sur l'huile), des boues et de l'acidité se forme[33]. Les décharges partielles et de forts champs électriques amplifient le phénomène[12].

Le point d'éclair de l'huile pour transformateur doit être élevé, supérieur à 135 °C pour des raisons de sécurité[34] - [35]. Un dépassement de cette température peut conduire à des incendies voire à des explosions qui peuvent endommager gravement les installations environnantes[36].

Le vieillissement de l'huile minérale est principalement dû à son oxydation elle-même causée par la présence d'oxygène et d'humidité dans l'huile. La réaction est également très dépendante de la température à partir de 60 °C sa vitesse double toutes les augmentations de 8 à 10 °C[37].

Les effets de l'oxydation, sont une augmentation du facteur de perte électrique (${\displaystyle tan\delta }$), de la viscosité, de l'acidité, de la corrosivité et de la teneur en eau de l'huile[38]. Sur le plan visuel, l'huile oxydée est plus trouble que l'huile neuve.

Le second facteur de vieillissement est l'augmentation de la teneur en eau qui dégrade les propriétés diélectriques de l'huile minérale. La solubilité de cette dernière augmente avec la température[39]. Les décharges partielles sont une dernière cause de vieillissement par les gaz qu'elles dégagent dans l'huile qui détériorent ses propriétés diélectriques[40].

Pour lutter contre le vieillissement, des pompes munies de systèmes d'assèchement et de dégazage de l'huile ainsi que d'un filtre peuvent être utilisées.

Le prix de l’huile minérale dépend du prix du pétrole. Historiquement, elle est moins chère que ses alternatives, ce qui fait qu’elle est encore beaucoup utilisée, malgré ses inconvénients: produit dangereux en cas d’aspiration, polluant, non biodégradable et plus facilement inflammable que ses alternatives[41].

Pour référencer les huiles minérales, on utilise un code. La première lettre désigne l'inhibition de l'huile, le U sert pour les huiles non inhibées, le T pour celles faiblement inhibées et le I pour celles inhibées[42]. La « température minimale de démarrage en puissance » suit.

Allure de la biodégradation des différents types d'huiles[43] - [44].

Les transformateurs contiennent jusqu'à plus de cent tonnes d'huile. Les huiles minérales ne sont pas biodégradables, des fuites peuvent donc entraîner des dégâts sur l'environnement en général et la nappe phréatique en particulier[45].

La mesure de la tension de claquage de l'huile consiste à placer dans l'huile à tester deux électrodes de bronze ou d'acier de forme demi-elliptiques (diamètre 36 mm de largeur et 26 mm sur la profondeur) normalisées à une distance de 2,5 mm l'une de l'autre. Elles doivent être propres et ne pas comporter de cratères dus à de précédentes mesures[46]. La tension est ensuite augmentée à vitesse constante de 2 kV/s jusqu'à l'apparition d'une décharge électrique. La tension atteinte est la tension de claquage. À cause du caractère aléatoire du phénomène provoquant la décharge électrique, la mesure doit être reproduite plusieurs fois (6 dans la norme), en respectant des pauses entre chaque mesure afin de permettre la dissipation des gaz formés lors de la décharge[47]. La dispersion est due aux impuretés, dont la présence ne peut être contrôlée. Cet aspect statistique amène à utiliser les transformateurs à des contraintes électriques toujours très inférieures à la rigidité moyenne pour avoir un coefficient de sécurité élevé[48].

L'étude des phénomènes liés à la tension de claquage de l'huile est assez complexe, de nombreux paramètres entrant en jeu[49]. De plus la grande incertitude statistique rend toute conclusion définitive toujours sujette à caution.

Matériel pour réaliser une titration Karl Fischer.

Pour mesurer l'humidité présente dans l'huile, on utilise habituellement le procédé de titration Karl Fisher[12].

Pour mesurer l'oxydation de l'huile, on mesure son pH. Pour cela la méthode traditionnelle consiste à mesurer la quantité de potasse alcoolique (KOH_alc) à ajouter dans l'huile pour la neutraliser. Une méthode plus récente, basée sur un titrage potentiométrique est également utilisée[50].

La présence de molécules soufrées dans les huiles isolantes minérales peut entraîner la corrosion des matériaux métalliques, allant dans certains cas jusqu'à la défaillance du transformateur. Pour éviter ce phénomène, les dernières versions de la norme CEI 60296 comprennent des mesures du soufre potentiellement corrosif contenu dans les huiles minérales (méthode ASTM D 1275 B ou méthode IEC 62535)  et des mesures de certaines molécules soufrées particulièrement agressives pour les métaux (mesure de la teneur en disulfure de dibenzyle DBDS par la méthode CEI 62697-1)

Ce phénomène de soufre corrosif ne se produit pas avec les huiles à base de gaz liquéfié, ni avec les huiles de silicone, les esters synthétiques ou les huiles végétales.

• On peut mesurer le facteur de perte électrique (${\displaystyle \tan \delta }$) grâce à un montage en pont[51].
• À noter que l'analyse des gaz dissous ne renseigne pas sur l'état de l'huile mais plutôt de celui du transformateur[12].

Au sein de l'Union Européenne, la réglementation REACH s'applique afin de protéger la santé des citoyens et l'environnement. Les huiles minérales isolantes sont des hydrocarbures de faible viscosité cinématique (inférieure à 12 centistokes à 40 °C). Elles sont considérées par la réglementation (CE) 1907/2006 REACH comme dangereuses pour la santé en cas d'aspiration[52].

Elles doivent donc être signalées par le pictogramme de danger: SGH 08 danger pour la santé[53]

et porter la mention de danger: H304 Peut être mortel en cas d'ingestion et de pénétration dans les voies respiratoires.

Les huiles esters végétales et synthétiques et les huiles silicones ne sont pas considérées comme dangereuses par la réglementation REACH.

Leur viscosité dépend du type d'huile végétale utilisée, mais les fluides le plus fréquents, basés sur de l'huile de soja, ont une viscosité à température ambiante similaire à celle d'un ester synthétique.

Les huiles isolantes végétales ont un point de feu très élevé (supérieur à 300°C), ce qui leur permet d'être classées K : fluides difficilement inflammables[68]. De même que les esters synthétiques, ces produits sont utilisés pour éviter les risques d'incendie, par exemple dans les tunnels, les transformateurs de trains, ou certaines installations industrielles. Ils réduisent également le besoin en équipement de protection anti incendie dans les sous-stations de transformateurs[69].

Les huiles isolantes végétales sont des produits bio-sourcés, facilement biodégradables[70] et non-toxiques[71]. Elles sont recommandées dans certains pays lorsqu'il y a un risque de contact accidentel avec la nappe phréatique.

L'évaluation du cycle de vie de l'huile végétale pour transformateur indique un impact environnemental très inférieur à celui d'une huile minérale[72].

Les huiles végétales pour transformateurs ont généralement un point d'écoulement plus élevé que les huiles minérales (entre -20 et -32°C selon les produits).

La structure chimique des huiles isolantes végétales leur donne une grande capacité à absorber l'eau, à la différence des huiles minérales. Cette propriété leur permet d'assécher les papiers isolants des transformateurs, et l'allonger leur durée de vie.

Les huiles isolantes végétales ont moins tendance à générer des boues et des dépôts lorsqu'elles vieillissent, ce qui est un avantage par rapport aux huiles minérales. Elles sont sensibles à l'excès d'oxygène : pour éviter leur dégradation à long terme, elles doivent uniquement être utilisées dans des transformateurs hermétiques.