Types et fonctions des huiles isolantes pour transformateurs
Un transformateur de puissance est un appareil électrique utilisé pour la conversion d'énergie, capable de transformer le courant alternatif (CA) d'une tension et d'une intensité données en un autre courant et une autre tension de même fréquence. L'huile de transformateur est un fluide spécialisé conçu pour l'isolation et le refroidissement des transformateurs. Elle possède d'excellentes propriétés isolantes, une grande stabilité thermique, une capacité d'extinction d'arc et une résistance à l'oxydation. Elle peut supporter les effets des champs électriques à haute tension pendant de longues périodes, prévenant ainsi efficacement les défauts internes du transformateur tels que les arcs électriques, les décharges et les explosions, et assurant de ce fait son bon fonctionnement. Selon la nature de l'huile de base, on distingue quatre principaux types d'huile de transformateur : huile minérale, huile végétale, huile de silicone et huile d'ester synthétique.
L'huile minérale pour transformateurs a été utilisée dans l'huile-Transformateur immergéL'huile minérale pour transformateurs est utilisée depuis près d'un siècle grâce à ses excellentes propriétés électriques et thermiques. Aujourd'hui encore, elle demeure l'huile idéale pour les transformateurs de puissance à très haute et ultra-haute tension. Cette huile est principalement dérivée d'huiles à base naphténique et paraffinique. Du point de vue de sa structure moléculaire, elle est composée d'alcanes linéaires, d'isoalcanes, de naphtènes et d'hydrocarbures aromatiques, chacun jouant un rôle distinct. Les alcanes linéaires ont des points de congélation élevés et ont tendance à générer de l'hydrogène sous haute tension. Pour des raisons économiques et de performance, ils ne sont généralement pas utilisés directement dans la production d'huile pour transformateurs. Les isoalcanes ont des points d'éclair supérieurs à 170 °C, des points de congélation bas, de faibles indices d'acide, une bonne stabilité à l'oxydation et des propriétés de dégagement gazeux modérées, ce qui les rend adaptés aux transformateurs. Les naphtènes présentent des points de congélation et d'éclair relativement bas, ainsi que des propriétés de dégagement gazeux modérées, répondant aux exigences de performance électrique des transformateurs. Parmi les hydrocarbures aromatiques, les hydrocarbures monoaromatiques présentent de bonnes propriétés de dégagement gazeux et peuvent être utilisés dans les huiles pour transformateurs à très haute tension. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques et condensés ont une faible stabilité à l'oxydation et présentent des risques pour la santé ; ils doivent donc être éliminés des huiles pour transformateurs. Par conséquent, les composants idéaux d'une huile minérale pour transformateurs sont les isoalcanes, les naphtènes et de faibles quantités d'hydrocarbures monoaromatiques.
L'huile végétale pour transformateurs est produite à partir de cultures oléagineuses naturelles par pression, raffinage et modification. Elle présente des avantages tels qu'un point d'éclair élevé, de bonnes performances électriques, l'abondance des matières premières, son caractère renouvelable et sa biodégradabilité. Les principaux composants de l'huile végétale sont les triglycérides, et les types et proportions d'acides gras varient considérablement d'une huile végétale à l'autre. Pour un équilibre optimal entre résistance à l'oxydation et fluidité à basse température, les huiles végétales à forte teneur en acides gras mono-insaturés sont le choix idéal pour la production d'huile végétale pour transformateurs. Bien que l'huile végétale pour transformateurs présente certains avantages par rapport à l'huile minérale, elle reste confrontée à des défis. Parmi ceux-ci figurent un coût plus élevé (environ trois à quatre fois supérieur à celui de l'huile minérale), une viscosité plus importante, une sensibilité à l'hydrolyse produisant des substances acides, de mauvaises performances à basse température, des problèmes d'oxydation et de gélification, des normes de performance variables, une expérience de maintenance limitée et des procédés de fabrication encore incomplets. Ces facteurs freinent la promotion et l'utilisation de l'huile végétale pour transformateurs.
L'huile de silicone pour transformateurs offre d'excellentes propriétés d'isolation électrique ainsi que des avantages tels qu'un point d'éclair élevé, un point d'écoulement bas et une faible variation de viscosité avec la température. Elle est souvent utilisée comme substitut à l'huile de transformateur traditionnelle dans les transformateurs de petite capacité inférieurs à 35 kV. Cependant, l'huile de silicone est sensible aux produits de décomposition issus des décharges partielles ou des claquages, présente une stabilité relativement faible face aux étincelles électriques et voit sa stabilité d'isolation diminuer sous l'effet de contraintes électriques répétées. Par conséquent, elle est généralement utilisée dans les transformateurs de moins de 35 kV, et les températures de fonctionnement ne doivent pas être excessivement élevées. Il convient de noter que l'huile de silicone a gagné en popularité au siècle dernier grâce à ses performances supérieures en matière de sécurité incendie. Toutefois, en raison de ses inconvénients environnementaux et économiques, son utilisation n'a pas été généralisée. Actuellement, son utilisation est en déclin à l'échelle mondiale et ne se poursuit que dans certains pays ou régions (comme les États-Unis) et certains secteurs industriels (comme les transformateurs pour tunneliers).
L'huile pour transformateurs à base d'ester synthétique utilise principalement une huile de base d'ester de polyol. Sa principale caractéristique est son excellente biodégradabilité : elle est décomposée rapidement par des micro-organismes actifs (bactéries) en dioxyde de carbone et en eau, sans impact sur l'environnement. Ceci la rend particulièrement adaptée aux applications exigeantes environnementales, telles que les parcs éoliens offshore. Outre sa biodégradabilité, l'huile pour transformateurs à base d'ester synthétique offre des performances complètes, notamment une bonne résistance au feu, d'excellentes propriétés d'isolation électrique, une résistance à l'oxydation et au vieillissement. De plus, elle présente une forte polarité et une grande affinité pour l'eau, ce qui lui permet de maintenir une tension de claquage élevée même en présence d'une forte humidité. Sa résistance à l'humidité est supérieure à celle des huiles pour transformateurs minérales et silicones.