Un ingénieur de service public situé dans le nord du Canada conçoit une spécification pour un transformateur de 25 MVA qui fonctionnera dans une sous-station avec des niveaux de température descendant en dessous de -40°C pendant le mois de janvier. Les transformateurs ont de grands dispositifs de refroidissement, leur réservoir est spécialement construit pour résister aux fortes charges de vent et de neige, donc la seule chose qui préoccupe l'ingénieur est le type d'huile utilisée pour le réservoir. La personne sait ce que cela signifie de sélectionner le mauvais huile de transformateur pour une utilisation dans un climat froid. L'huile va s'épaissir lorsque les températures chutent, la pompe commencera à caviter et l'huile cessera de circuler à travers les dispositifs de refroidissement, donc les enroulements deviennent chauffés même si la température extérieure est de -30°C. Le transformateur qui a réussi ses tests fonctionnera comme un générateur d'alarme lors de la première saison hivernale.
Cet article discute de tout ce que doit savoir un acheteur ou un ingénieur de spécification sur la sélection de l'huile de transformateur dans les transformateurs remplis d'huile pour les zones climatiques froides, y compris les principales caractéristiques, normes, avantages et inconvénients de l'utilisation d'huiles paraffiniques et naphténiques, les différences de prix et l'algorithme de sélection de l'huile.
Pourquoi l'huile pour transformateurs devient problématique
L'huile de transformateur a deux fonctions principales : elle refroidit les enroulements du transformateur par le biais de l'évacuation de chaleur vers les parois du réservoir et elle isole les enroulements du stress électrique. Bien que les deux fonctions dépendent de la capacité de l'huile à circuler, dans les climats froids, la viscosité de l'huile augmentera et la circulation sera ralentie, ce qui entraîne un échauffement des enroulements du transformateur alors que la température extérieure est basse. Lors de températures très basses, l'huile minérale peut atteindre son point de congélation — température à laquelle l'huile cesse complètement de circuler, ce qui signifie que le refroidissement s'arrête.
Il y a un autre défi lié à l'huile en hiver : la condensation d'humidité. L'huile dans un transformateur avec un conservateur se déplace pendant son fonctionnement, et lorsque l'air qui est plus chaud et plus humide entre par le réservoir froid, l'eau se refroidit et se joint à l'huile. L'eau dans l'huile de transformateur détruit les propriétés diélectriques de l'huile ; plusieurs centaines de parties d'eau feront chuter la tension de claquage de l'huile de 60 kV à moins de 30 kV, donc les défis de la sélection de l'huile de transformateur pour un climat froid consistent à comprendre à la fois la fluidité et la gestion de l'humidité.
La dernière caractéristique particulière de l'exploitation en hiver est le démarrage. L'huile qui est utilisée dans le transformateur doit être mise sous tension au point de congélation de l'huile sans être réchauffée au préalable, car immédiatement après la mise sous tension, l'huile doit circuler et créer les conditions de température nécessaires dans chaque partie du transformateur.
Propriétés clés à basse température
| Propriété | Ce que cela mesure | Cible pour les régions froides | Grade standard (tempéré) |
|---|---|---|---|
| Point de congélation | Température la plus basse à laquelle l'huile s'écoule | -40°C à -60°C | -30°C |
| Viscosité cinématique @ 40°C | Fluidité de base à la température de fonctionnement | 8-12 mm²/s | 9-12 mm²/s |
| Viscosité cinématique @ -30°C | Fluidité à froid ; le chiffre clé à basse température | En dessous de 1 500 mm²/s (limite typique) | Non spécifié |
| Point d'éclair | Sécurité incendie ; plus c'est élevé, mieux c'est | > 135°C (minéral), > 250°C (ester) | > 135°C |
| Tension de claquage (BDV) | Résistance diélectrique après conditionnement | > 70 kV (neuf, IEC 60156) | > 70 kV |
| Teneur en eau | Niveau d'humidité ; doit être minimal | < 30 ppm (huile neuve) | < 30 ppm |
En ce qui concerne les zones climatiques froides, le point de congélation et la viscosité à basse température jouent un rôle important. Une valeur de -30 degrés Celsius est appropriée pour des climats avec des températures de -10 degrés Celsius ; cependant, elle est complètement inefficace à des températures de -40 degrés Celsius. L'huile en question doit rester au-dessus de son point de congélation, même à la température minimale enregistrée.
Types d'huile pour régions froides
| Type d'huile | Point de congélation | Point d'éclair | Prix par litre | Meilleure utilisation |
|---|---|---|---|---|
| Huile minérale standard (IEC 60296) | -30°C | > 135°C | $1.5-$2.5 | Climats tempérés |
| Huile minérale naphténique à bas point de congélation | -40°C à -60°C | > 135°C | $2.5-$4 | Régions froides jusqu'à -50°C |
| Hydrocarbure à poids moléculaire élevé | Varie | > 250°C | $4-$8 | Sites sensibles au feu et froid |
| Ester synthétique (IEC 61099) | -40°C à -60°C | > 250°C | $6-$15 | Froid + sécurité incendie + biodégradabilité |
| Fluide silicone | -50°C ou moins | > 300°C | $15-$30 | Applications spéciales de sécurité incendie |
Dans la plupart des processus industriels et des services publics dans les régions froides, les huiles minérales naphténiques à bas point de congélation représentent le cheval de bataille. Elles offrent la fluidité nécessaire à environ la moitié du prix des esters synthétiques. Les esters synthétiques sont utilisés lorsque cela est nécessaire en réponse aux codes de sécurité incendie et à la législation environnementale qui régit la performance à froid et fournit un point d'éclair supérieur à 300°C. Le fluide silicone représente le choix offrant des performances élevées à un coût très élevé.
Huile naphténique vs. Huile paraffine
| Caractéristique | Huile naphténique | Huile paraffine |
|---|---|---|
| Teneur en cire | Très faible | Plus élevée ; forme des cristaux de cire à froid |
| Point de congélation | Naturellement faible (-40°C à -60°C réalisable) | Plus élevée ; nécessite un déparaffinage lourd |
| Fluidité à basse température | Excellente | Se dégrade fortement près du point de congélation |
| Stabilité à l'oxydation | Bonne | Bonne (base légèrement meilleure) |
| Comportement d'absorption des gaz | Meilleure absorption des gaz | Généralement bon mais la cire est le problème |
| Disponibilité en grades froids | Norme pour les spécifications des régions froides | Rarement utilisé pour les régions froides |
Il existe un accord marqué parmi les ingénieurs concernant l'utilisation des huiles naphténiques dans les zones froides. Le fait que les huiles paraffiniques contiennent de la cire pose un problème majeur en hiver, car la cire se solidifie lorsqu'il fait froid, entraînant une viscosité accrue et un échec subséquent de l'huile à s'écouler — ce qui est précisément le problème qui rend le refroidissement des transformateurs inefficace en hiver. La faible température de fusion de l'huile naphténique et sa bonne capacité à fonctionner dans des conditions froides la rendent formellement acceptée pour chaque spécification sérieuse dans les régions froides, de nombreux fabricants de transformateurs spécifiant en fait un grade naphténique préféré dans le schéma du système d'huile.
Paramètres et limites de spécification
il est essentiel d'inclure les valeurs suivantes :
Normes : IEC 60296 pour les huiles minérales ; IEC 61099 pour les esters synthétiques ; ASTM D3487 pour l'Amérique du Nord.
Point de congélation : Minimum -40°C pour des températures d'environ -30°C ; minimum -60°C pour des températures inférieures à -35°C.
Viscosité cinématique à 40°C : 8 à 12 mm²/s et vérifier la viscosité à -30 °C pour s'assurer qu'elle est inférieure à la limite de circulation maximale fixée par les fabricants ; cette limite est généralement d'environ 1 500 mm²/s.
Point d'éclair : Supérieur à 135 °C pour les huiles minérales ; se référer à la valeur exacte indiquée sur le certificat.
Résistance à la rupture diélectrique : Supérieure à 70 kV pour l'huile neuve selon les normes IEC 60156.
Teneur en eau : 30 ppm max ; le rejet d'huile doit respecter cette exigence.
Résistance diélectrique et concentration d'acide : Se conformer aux propriétés énoncées dans l'IEC 60296 pour les huiles neuves.
N'oubliez pas de mentionner le point de congélation dans les contrats. “Huile de région froide” n'est pas assez clair. L'huile de région froide est parfois appelée huile à basse température, et vous pourriez finir par acheter de l'huile de grade standard à -30°C sans que le contrat ne mentionne le point de congélation.
La matrice suivante peut vous aider à décider concernant la température minimale pour le site spécifique :
| Site Minimum Extrême | Point de congélation requis | Famille d'huile | Prix approximatif par litre | Remarques |
|---|---|---|---|---|
| Au-dessus de -20°C | -30°C | Minéral standard (IEC 60296) | $1.5-$2.5 | Le grade standard est suffisant |
| -20°C à -35°C | -40°C | Naphthénique à faible point de fusion | $2.5-$3.5 | Spécification la plus courante pour les régions froides |
| -35°C à -50°C | -50°C à -60°C | Naphthénique ou ester synthétique | $3.5-$15 | Vérifier la viscosité à basse température |
| En dessous de -50°C | -60°C ou moins | Ester synthétique ou silicone | $8-$30 | Confirmer les classifications de la pompe et du joint |
Le processus de sélection
Déterminer la température la plus basse sur le site. Prendre en compte la température extrême la plus basse plutôt que la température moyenne hivernale, ajouter également une marge de sécurité de 10 ou 15 K.
Déterminer le point de congélation requis. En cas de température sur site de -40°C par exemple, spécifier une huile avec un point de congélation de -55°C ou -60°C afin que l'huile reste liquide.
Vérifier la viscosité à basse température. Consulter le fabricant du transformateur concernant la viscosité de l'huile en cas de -30°C, car c'est l'information qui garantira l'efficacité du système de refroidissement.
Choisir le type d'huile. Si l'économie est l'objectif, utiliser de l'huile minérale naphthénique ; ester synthétique en cas de réglementations sur les incendies et l'environnement ; et silicone uniquement sur une base d'obligation.
Vérifier la compatibilité du transformateur. S'assurer que les joints, les pompes et les aérateurs sont compatibles avec l'huile et supportent les températures extrêmes ; pour le site à -40°C, il peut être nécessaire de choisir des joints spéciaux conçus pour de telles basses températures.
S'assurer d'obtenir le certificat. Il doit couvrir le point de congélation, la viscosité, le BDV, la teneur en eau et le point d'éclair selon vos exigences.
Application par région et climat
- Chine du Nord, Mongolie, régions du nord des États-Unis (-30°C à -40°C) : huile naphthénique à faible point de fusion avec un point de congélation de -40°C.
Canada, Sibérie, Scandinavie du Nord (en dessous de -40°C) : huiles avec des points de congélation de -55°C à -60°C utilisées, souvent des esters synthétiques pour les sites les plus froids.
Lieux en haute altitude (Andes, Tibet, Alpes) : combinaison d'un environnement froid et d'un refroidissement réduit à des altitudes, nécessitant une réduction de puissance et l'utilisation d'huile de classe froide.
Conditions maritimes offshore et froides : utilisation d'huiles naphthéniques et d'esters avec un contrôle strict de l'humidité.Les altitudes ajoutent aux difficultés liées au froid : à 3 000 mètres, la densité de l'air est environ 30 % plus faible, rendant le refroidissement naturel des transformateurs moins efficace, ce qui nécessite une réduction de puissance ou l'attribution d'un niveau de refroidissement plus élevé avant que la température ne commence à être prise en compte.
Marques et comparaison des prix
| Marque | Origine | Offres pour les régions froides | Prix approximatif par litre |
|---|---|---|---|
| Coquille | Pays-Bas/Royaume-Uni | Diala S4 ZX-I, Diala AX (naphthénique à faible point de fusion) | $2-$4 |
| ExxonMobil | États-Unis | Mobil 3910-60 (paraffinique, point de fusion -60°C), Unvolt | $2.5-$4.5 |
| Nynas | Suède | Nytro Libra, Nytex 620 (spécialistes naphthéniques) | $2-$4 |
| Ergon | États-Unis | Hyvolt III, huiles naphthéniques de grade froid | $2-$3.5 |
| MIDEL (M&I Materials) | Royaume-Uni | MIDEL 7131 ester synthétique (point de fusion -56°C) | $8-$15 |
| Jiangsu Subian Electric Power (avec huile de marque) | Chine | Transformateurs fournis remplis avec l'huile de grade froid spécifiée | Huile groupée ; unités à prix compétitifs |
L'industrie pétrolière est dominée par des entreprises mondiales spécialisées dans les lubrifiants et les esters, y compris Shell, ExxonMobil, Nynas, Ergon et MIDEL, dont les produits froids ont été utilisés dans le monde entier. Dans le cas du transformateur, le type d'huile est généralement spécifié dans le contrat, et des entreprises telles que Jiangsu Subian Electric Power fournissent le transformateur avec l'huile froide spécifiée conformément au contrat et indiquent le remplissage d'huile sur le certificat. En effet, cela est critique pour les endroits froids car l'huile n'est pas un article consommable et ne peut pas être remplacée ; elle fait partie de la conception thermique du transformateur. Les transformateurs de région froide de Subian sont fournis avec un certificat indiquant le point de congélation et la viscosité de l'huile, et les prix pour le transformateur rempli sont généralement de 40-60% inférieurs aux prix indiqués pour des unités similaires produites par des fabricants européens.
Comment choisir la bonne huile
Appliquez la température minimale de scénario le plus défavorable du site plus la tolérance pour choisir l'exigence du point de congélation.
Sélectionnez des huiles naphthéniques pour les environnements froids et évitez les produits paraffiniques à moins qu'ils n'aient été déswaxés pour répondre au paramètre du point de congélation.
Indiquez la limite de viscosité à basse température pour garantir que le système de refroidissement est opérationnel.
Trouvez la famille d'huile conforme aux codes de sécurité incendie et environnementaux, et pas seulement au thermomètre.
Vérifiez si les matériaux du joint et de la pompe sont appropriés pour les conditions de température extrêmes.
Exigez un certificat montrant le point de congélation, la viscosité, le BDV, la teneur en eau et le point d'éclair.
Manipulation, stockage et démarrage à froid
La manipulation de l'huile dans les régions froides a une discipline particulière. Les fûts, les réservoirs et les tuyaux de transfert de chaleur doivent être situés au-dessus du point de fusion de l'huile afin que l'huile reste pompable ; de nombreux sites ont recours à des lignes de stockage et de transfert chauffées. Avant le remplissage, l'huile doit être dégazée sous vide et séchée à un contenu en eau inférieur à 30 ppm en raison du fait que l'air froid contient très peu d'humidité tandis que l'huile chaude provenant du stockage la condenserait. En général, on installerait des filtres de 1 à 5 microns et un sécheur sous vide lors du remplissage des transformateurs avec de l'huile dans les régions froides.
Lors du démarrage de l'équipement dans des conditions froides, il est très important de suivre la séquence – allumer le transformateur et laisser l'huile circuler pendant 10 à 30 minutes avant de mettre une charge significative afin d'éviter la formation de points chauds dans l'huile froide stagnante. Certains opérateurs maintiendraient les pompes en fonctionnement pendant les nuits les plus froides au lieu de régler le système de contrôle sur la température de l'huile pompée. Les règles d'exploitation devraient être incluses dans le manuel d'entretien du site et non seulement dans ses spécifications.
Questions Fréquemment Posées
Quel huile de transformateur est appropriée pour les emplacements froids ?
Pour une utilisation dans des applications dans les régions froides, l'utilisation d'huile minérale naphténique à bas point de fusion approuvée par la norme IEC 60296 est la meilleure option : l'huile reste liquide à des températures de -40°C à -60°C et coûte environ $2.5-$4 par litre. Les esters synthétiques, au prix d'environ $8-$15 par litre, offrent à la fois une meilleure sécurité incendie et une biodégradabilité, mais avec les mêmes niveaux de performance dans le froid. L'huile standard, avec un point de fusion de -30°C, n'est pas suffisante pour les sites connaissant des températures inférieures à environ -25°C.
Que signifie le point de fusion de l'huile de transformateur ?
Le point de fusion est défini comme la température à laquelle l'huile est encore en circulation. À cette température, la circulation s'arrête et, par conséquent, le transformateur ne se refroidit pas, ce qui entraîne une surchauffe de l'enroulement indépendamment des conditions de gel. L'huile standard du transformateur a un point de fusion de -30°C ; l'huile pour les régions froides est classée à -40°C, -45°C ou -60°C selon le site.
L'huile de transformateur naphténique ou paraffine est-elle meilleure pour l'hiver ?
Définitivement naphténique. Les huiles paraffiniques contiennent du paraffine qui cristallise à des températures froides, augmentant la viscosité au point d'empêcher l'huile de s'écouler, ce qui signifie que le transformateur ne peut pas être refroidi à ces températures. L'huile naphténique a naturellement un bas point de fusion et s'écoule bien dans le froid, c'est pourquoi les spécifications de l'huile pour les régions froides exigent presque toujours de l'huile de grade naphténique.
Combien coûte l'huile de transformateur pour les régions froides ?
L'huile minérale standard est au prix de $1.5-$2.5 par litre, l'huile naphténique à bas point de fusion coûte $2.5-$4 par litre, les esters synthétiques coûtent $6-$15 par litre, et l'huile de silicone coûte $15-$30 par litre. La différence de prix de l'huile est d'environ $10,000–$20,000 pour un transformateur de 10,000 litres, ce qui n'est pas important comparé au coût des pannes hivernales.
Puis-je utiliser de l'huile de transformateur standard si je réduis simplement la puissance du transformateur ?
La réduction de puissance aide avec la chaleur, pas avec la fluidité à froid. Si le point de congélation de l'huile est supérieur au minimum du site, l'huile cessera de circuler peu importe la charge que le transformateur supporte. La spécification doit être déterminée par la température du site, et le transformateur et l'huile doivent être sélectionnés comme un système thermique unique. L'huile de grade froid n'est pas optionnelle pour les sites véritablement froids.
Références
- IEC 60296 — Fluides pour applications électrotechniques, huiles minérales isolantes non utilisées — La norme maîtresse pour les grades d'huile minérale de transformateur et les points de congélation.
- IEC 61099 — Esters organiques synthétiques pour des usages électriques — La norme pour les huiles isolantes à base d'esters synthétiques.
- ASTM D3487 — Spécification standard pour l'huile isolante minérale utilisée dans les appareils électriques — Spécification d'huile minérale nord-américaine.
- IEC 60156 — Liquides isolants, détermination de la tension de rupture — La méthode d'essai diélectrique pour la TBR.
- IEEE C57.106 — Guide pour l'acceptation et l'entretien de l'huile minérale isolante — Critères d'acceptation de l'huile et limites d'humidité.
- Nynas — Solutions d'huile de transformateur — Grades d'huile naphthéniques spécialisés et conseils d'application.
- M&I Materials — Fluides esters MIDEL — Produits à base d'esters synthétiques avec des données publiées sur les basses températures.
Conclusion
Cela signifie que l'achat d'huile de transformateur pour des conditions froides ne concerne pas seulement le lubrifiant lui-même, mais aussi la conception thermique. Le point de congélation, la viscosité à basse température et la teneur en eau déterminent si le système de refroidissement fonctionnera pendant la nuit la plus froide, tandis que le type d'huile définit le risque d'incendie et environnemental. Avec les bonnes informations sur papier, le transformateur servira pendant des années ; sinon, on paiera cher en hiver.
- Spécifiez le point de congélation à partir du minimum extrême du site plus une marge, et non à partir d'un défaut de catalogue.
- Choisissez de l'huile naphthénique pour les régions froides ; utilisez des esters uniquement là où le feu ou l'environnement l'exige.
- Vérifiez la viscosité à basse température par rapport à la limite de circulation du fabricant.
- Achetez l'huile et le transformateur comme un seul système, et mettez le certificat dans le contrat.
Pour les transformateurs immergés dans l'huile remplis de l'huile de grade froid correcte et certifiés selon IEC 60296, contactez Jiangsu Subian Electric Power à www.subian-electric.com — spécifiez la température minimale de votre site et l'exigence de point de congélation, et ils vous fourniront un devis pour l'unité remplie avec le certificat inclus.