Quelles sont les causes de la défaillance d'un transformateur sec ? | Guide d'expert

1. Dégradation de l'isolation et décharges partielles

La cause première la plus fréquente de défaillance des transformateurs secs est la dégradation de l'isolation. Les systèmes d'isolation en résine époxy ou en bobine moulée utilisés dans ces transformateurs sont conçus pour résister à des contraintes électriques élevées, mais ils se dégradent avec le temps sous l'effet de facteurs thermiques, électriques et environnementaux.

Activité de décharge partielle (DP)

Une décharge partielle est une décharge électrique localisée qui ne rompt que partiellement l'isolation entre les conducteurs. Lors de mes essais sur le terrain avec un générateur de 2,5 MVA, j'ai constaté ce phénomène. transformateur à sec Dans une usine chimique en 2019, nous avons mesuré des niveaux de décharges partielles (DP) dépassant 500 pC à la tension nominale du transformateur 80%. Six mois plus tard, ce dernier a subi une défaillance suite à un court-circuit entre phases. Les DP érodent progressivement l'isolation, créant des traces de carbone qui finissent par provoquer un contournement.

D'après une étude publiée dans IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, les transformateurs secs présentant des niveaux de décharges partielles (DP) supérieurs à 250 pC ont une probabilité de défaillance plus élevée dans les deux ans. Des tests réguliers de DP à l'aide de transformateurs de courant haute fréquence (TCHF) sont essentiels pour une détection précoce.

Vieillissement thermique de l'isolation

Les transformateurs secs utilisent généralement une isolation de classe H (température nominale de 180 °C) ou de classe C (220 °C). Cependant, un fonctionnement continu au-delà de ces limites accélère la dégradation chimique. Pour chaque augmentation de 10 °C au-dessus de la température nominale, la durée de vie de l'isolation est divisée par deux, selon le modèle d'Arrhenius. J'ai personnellement constaté la défaillance d'un transformateur de 1,6 MVA dans une aciérie après seulement 4 ans, en raison de l'obstruction des conduits de refroidissement par la poussière, provoquant des points chauds à 210 °C.

Source : Norme IEEE C57.12.01 pour les transformateurs de type sec.

2. Infiltration d'humidité et effets de l'humidité

Contrairement aux transformateurs à bain d'huile, les transformateurs secs utilisent l'air ou la résine comme isolant. L'humidité réduit considérablement la rigidité diélectrique de l'air et peut provoquer des traces de corrosion sur les surfaces en époxy. Dans un cas datant de 2021, un transformateur de 3 MVA transformateur sec installé Dans une usine de papier côtière, une sous-station électrique a rendu l'âme après 14 mois. L'humidité relative y était en moyenne de 851 °C, et de la condensation s'est formée sur les enroulements pendant la nuit. La résistance d'isolement est passée de 2 000 MΩ à 2 MΩ en seulement 3 mois.

Comment l'humidité pénètre

Les points d'entrée courants comprennent :

• Joints ou bagues d'étanchéité endommagés sur l'enceinte
• Ouvrez les presse-étoupes d'entrée de câble lors de l'installation
• Déshumidificateurs mal entretenus dans la salle des transformateurs
• Des cycles thermiques fréquents qui créent de la condensation à l'intérieur de l'enceinte

La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) recommande d'installer les transformateurs secs dans des environnements dont l'humidité relative est inférieure à 701 TP3T (norme NEMA ST 20). D'après mon expérience, toute humidité relative supérieure à 801 TP3T nécessite un contrôle actif de l'humidité, par exemple à l'aide de radiateurs d'appoint ou de résistances chauffantes de faible puissance à l'intérieur de l'enceinte.

3. Cycles thermiques et surcharges

Les transformateurs secs subissent une dilatation et une contraction thermiques à chaque cycle de charge et de décharge. Sur des milliers de cycles, ces contraintes mécaniques peuvent fissurer l'encapsulation époxy, desserrer les connexions des enroulements et fragiliser les joints des conducteurs.

Données réelles issues d'une étude de 2020

Une équipe de recherche de l'Université de Stuttgart a testé un transformateur sec de 1 MVA sous charge cyclique (variation de charge de 0 à 100 T toutes les 4 heures). Après 5 000 cycles, ils ont constaté une chute de la tension d'amorçage des décharges partielles de 30 T et l'apparition de fissures visibles dans l'époxy aux extrémités des bobines. Ce phénomène est directement lié aux défaillances que j'ai pu observer sur le terrain dans des centrales solaires photovoltaïques, où les transformateurs fonctionnent quotidiennement en fonction de la production solaire.

La surcharge est la cause la plus facilement évitable. Lors d'un audit réalisé en 2022 sur 50 transformateurs secs défaillants, j'ai constaté que le transformateur 34% fonctionnait à une charge supérieure à sa charge nominale de 110% pendant plus de 8 heures par jour. La norme IEEE C57.96 relative aux transformateurs secs indique clairement qu'une surcharge continue supérieure à 115% réduit considérablement leur durée de vie.

4. Contraintes mécaniques et vibrations

Les contraintes électromagnétiques, en fonctionnement normal et surtout en cas de défauts tels que les courts-circuits, engendrent des forces mécaniques. Les vibrations provenant de machines voisines ou une mauvaise fixation des éléments de structure peuvent également desserrer ces derniers.

Forces de court-circuit

Lors d'un défaut traversant (court-circuit en aval du transformateur), les forces électromagnétiques exercées sur les enroulements peuvent atteindre 50 à 100 fois leur niveau normal. Cela peut entraîner un déplacement physique des enroulements, une déchirure de l'isolant ou la rupture du conducteur. Un incident marquant survenu en 2018 a été la panne d'un groupe électrogène de 2 MVA dans un hôpital suite à un court-circuit sur une ligne d'alimentation en aval. Le coût des réparations s'est élevé à 45 000 £ et l'hôpital est resté sans électricité pendant trois jours.

L'American Society of Mechanical Engineers (ASME) recommande que les transformateurs secs soient conçus pour résister à des forces de court-circuit d'impédance d'au moins 21 Ω·m. Vérifiez toujours que votre transformateur est conforme à la norme IEEE C57.12.01 relative à la tenue aux courts-circuits.

Surveillance des vibrations

Je recommande l'installation de capteurs de vibrations sur les transformateurs de plus de 1 MVA. Lors d'un programme de maintenance préventive mené en 2023 dans un centre de données, nous avons détecté des vibrations anormales à 120 Hz (deux fois la fréquence du réseau) sur un transformateur de 2,5 MVA. La cause principale était un boulon de fixation du noyau desserré. Son resserrage a permis d'éviter un déplacement potentiel de l'enroulement.

5. Défauts de fabrication et qualité des matériaux

Même avec une conception optimale, des défauts de fabrication peuvent entraîner une défaillance prématurée. Voici quelques problèmes courants que j'ai pu observer :

• Des vides dans le moulage époxy emprisonnent l'humidité et amorcent des décharges partielles.
• Durcissement insuffisant de la résine, entraînant une isolation molle
• Couches d'enroulement mal alignées provoquant une répartition inégale des contraintes
• Conducteurs en cuivre ou en aluminium de qualité inférieure contenant des impuretés qui augmentent la résistance

Une étude publiée dans la revue Recherche sur les systèmes d'énergie électrique Une étude menée en 2021 a analysé 120 défaillances de transformateurs secs. Elle a révélé que 221 de ces défaillances étaient imputables à des défauts de fabrication, la formation de vides étant la plus fréquente. L'étude a souligné que des contrôles de qualité rigoureux lors du moulage, notamment l'imprégnation sous vide (VPI), permettent de réduire la formation de vides dans 90 % des transformateurs.

Lors du choix d'un transformateur, exigez systématiquement les rapports d'essais du fabricant, notamment les mesures de décharges partielles à 1,2 fois la tension nominale. Les fabricants réputés fourniront ces données. Si le niveau de décharges partielles dépasse 10 pC à 1,2 Un, rejetez l'appareil.

6. Facteurs externes et lacunes en matière de maintenance

Les facteurs externes tels que la contamination, la faune sauvage et un entretien inadéquat sont souvent négligés, mais ils représentent un pourcentage important des défaillances.

Contamination

La poussière, le sel et les vapeurs chimiques peuvent s'accumuler sur les enroulements, créant ainsi des chemins conducteurs. Dans une cimenterie, un transformateur sec de 1,2 MVA a cessé de fonctionner après 3 ans car la poussière de ciment, combinée à l'humidité, a formé une couche conductrice. La résistance d'isolement est alors tombée à zéro. Un nettoyage régulier à l'air comprimé sec (30 psi maximum) et des inspections visuelles tous les 6 mois permettent de prévenir ce problème.

Faune sauvage et corps étrangers

Les rongeurs, les serpents et les insectes peuvent s'introduire dans les espaces clos par de petites ouvertures. En 2020, un lézard a provoqué un court-circuit entre phases sur un groupe électrogène de 1 MVA dans un bâtiment commercial. L'arc électrique a détruit les enroulements. Installez des grilles à mailles fines sur toutes les ouvertures de ventilation et scellez les points d'entrée des câbles.

Lacunes de maintenance

De nombreux exploitants pensent que les transformateurs secs ne nécessitent aucun entretien. C'est une idée reçue dangereuse. D'après mes données recueillies sur 30 ans, les transformateurs faisant l'objet d'inspections annuelles et de contrôles thermographiques ont un temps moyen entre les pannes (MTBF) de 18 ans, contre 9 ans pour ceux qui ne sont pas entretenus.

Les tâches d'entretien essentielles comprennent :

• Imagerie thermique de toutes les connexions et surfaces d'enroulement (au moins une fois par an)
• Test de résistance d'isolement (mégohmmètre) à 1 000 V ou 2 500 V
• Mesure des décharges partielles tous les 2 ans pour les unités de plus de 1 MVA
• Nettoyage des conduits de refroidissement et des grilles de ventilation
• Resserrage de toutes les connexions électriques boulonnées

Conclusion et recommandations

La défaillance d'un transformateur sec est rarement due à un événement unique. Elle résulte généralement d'une dégradation progressive liée au vieillissement de l'isolation, à l'humidité, aux contraintes thermiques, aux forces mécaniques ou à des défauts de fabrication. La compréhension de ces causes permet de mettre en œuvre un programme d'inspection et de contrôle proactif, prolongeant ainsi la durée de vie du transformateur et évitant les arrêts imprévus coûteux.

Pour plus d'informations, consultez la norme IEEE C57.12.01 relative aux transformateurs secs et la norme NEMA ST 20 relative aux pratiques d'installation. Il est impératif de consulter un ingénieur en transformateurs qualifié lors de la conception ou du dépannage de votre système.

Auteur : John R. Miller, ingénieur – spécialiste en diagnostic de transformateurs, fort de 30 ans d’expérience dans le domaine de la fiabilité des réseaux électriques. Membre du comité des transformateurs de l’IEEE. Les opinions exprimées sont les miennes et reposent sur des données de terrain recueillies lors de plus de 500 enquêtes sur des défaillances de transformateurs.