Le responsable de la sécurité des services publics examine actuellement les raisons pour lesquelles trois sous-stations n'ont pas pu passer un audit interne. L'une des sous-stations n'a pas vérifié le circuit de déclenchement du gaz du relais Buchholz qui avait été connecté à une lampe d'alarme. Dans la deuxième sous-station, le mur coupe-feu séparant deux transformateurs de 10 MVA était plus court que le bund de rétention d'huile et en cas de rupture du réservoir, l'huile enflammée aurait débordé par-dessus le mur. Dans la troisième sous-station, l'huile de transformateur avait été utilisée pendant neuf ans sans avoir été testée pour la diélectrique une seule fois et sa teneur en eau était presque quatre fois la limite autorisée. Dans les trois cas, la raison sous-jacente était que les membres de l'équipe projet n'avaient pas utilisé les normes de sécurité des transformateurs immergés dans l'huile.
Le guide décrit les importantes normes techniques de sécurité des transformateurs immergés dans l'huile telles que les normes internationales (IEC, IEEE, NFPA), les codes nationaux (GB, NEC) et les pratiques opérationnelles et explique comment ces normes peuvent protéger les personnes, l'équipement et l'environnement. Le guide a été rédigé pour les ingénieurs, les chefs de projet et les acheteurs qui doivent comprendre ce que signifie la conformité avant de valider les spécifications.
Réponse rapide : Les principales réglementations de sécurité des transformateurs pour les transformateurs immergés dans l'huile sont la série IEC 60076 (conception, test, performance en court-circuit), IEC 60296 et IEC 60422 (qualité de l'huile), IEC 60599 (interprétation DGA), IEEE C57.12.00 et C57.104 (analogues nord-américains et évaluation des gaz), et les codes de sécurité incendie et électrique – NFPA 70 (NEC), NFPA 850 (protection contre les incendies des installations), IEC 61936 (installation au-dessus de 1 kV). Numéros de conformité critiques : résistance diélectrique de l'huile ≥ 50 kV/2,5 mm pour l'huile neuve ; point d'éclair de l'huile minérale ≥ 135° ; point d'inflammation ~160° ; augmentation de la température des enroulements ≤ 65K ; résistance aux coups de foudre de 170 kVp pour les transformateurs de classe 35 kV. Les dispositifs de sécurité relais Buchholz, décharge de pression, rétention d'huile doivent être observés conformément à IEC 60076-1 et IEC 61936.
Pourquoi les normes sont importantes pour les transformateurs immergés dans l'huile
Un transformateur immergé présente dans un seul réservoir trois classes de dangers. Ici, nous faisons référence à différentes situations où il y a de grandes quantités de fluide combustible, la capacité énergétique suffisante pour créer un arc, et des gaz sous pression en cas de problème. Lorsque quelque chose tourne mal, les dégâts ne sont pas proportionnels. Un petit défaut d'isolation dans un transformateur de 30 MVA peut entraîner une explosion du réservoir et la projection d'huile enflammée sur un large territoire. Des directives existent en raison du fait que la physique des pannes est impitoyable, et les leçons tirées d'accidents malheureux coûtent des vies et des sous-stations entières.
Le système de normes fonctionne par couches. Le système de normes de conception garantit que les dispositifs sont suffisamment durables pour résister aux contraintes qui doivent être supportées. Les normes d'essai permettent de s'assurer que la durabilité est atteinte à l'usine. La norme d'installation sécurise l'installation correcte de l'équipement. La norme d'exploitation assure le fonctionnement durable de la machine. Enfin, les codes de sécurité incendie préviennent des destructions significatives en cas de problème. Une installation conforme est une installation qui utilise tous les niveaux de normes.
IEC 60076 : L'épine dorsale de la conception et des essais
La série IEC 60076 fait référence aux normes internationales pour les transformateurs et est reconnue par presque tous les codes nationaux dans le monde. Les normes les plus pertinentes en ce qui concerne les transformateurs immergés dans l'huile sont :
| Norme | Portée | Exigence de sécurité clé |
|---|---|---|
| IEC 60076-1 | Exigences générales | Évaluation, élévation de température, prises, exigences accessoires |
| IEC 60076-2 | Élévation de température | Élévation moyenne des enroulements ≤ 65K, élévation de point chaud ≤ 78K au-dessus de 40°C |
| IEC 60076-3 | Niveaux d'isolation et tests diélectriques | 170 kVp LI pour la classe 35kV ; limites de tenue AC et de PD |
| IEC 60076-4 | Essai d'impulsion de foudre | Procédures d'essai d'impulsion complète et coupée |
| IEC 60076-5 | Tenue au court-circuit | Vérification de la conception et des essais contre un court-circuit de 2s |
| IEC 60076-7 | Guide de chargement | Régimes de surcharge sûrs basés sur la température du point chaud |
| IEC 60076-10 | Détermination du niveau sonore | Conformité au bruit pour les zones résidentielles |
Chacun de ces composants se traduit par une note ok/échec présentée sur un rapport d'essai en usine. Les tests diélectriques démontrent la résistance d'isolation aux surtensions les plus élevées survenant dans le réseau. Les essais de court-circuit démontrent la capacité des enroulements et des dispositifs de serrage à supporter un court-circuit en court-circuit. Les limites d'élévation de température assurent que l'isolation est maintenue dans sa plage de vieillissement conçue. Si un fabricant ne peut pas présenter ces rapports, la sécurité de l'unité n'est qu'une affirmation, plutôt qu'un fait prouvé.
Normes d'huile : IEC 60296, IEC 60422 et DGA
L'huile isolante est caractérisée à la fois comme un diélectrique et un milieu de diagnostic et est soumise à deux normes concernant sa durée de vie.
L'IEC 60296 impose les spécifications pour la nouvelle huile de transformateur. valeurs clés : tension de claquage ≥ 30 kV/2,5 mm avant traitement et ≥ 60 kV/2,5 mm après traitement pour les grades les plus élevés, teneur en eau ≤ 30 ppm, tan delta ≤ 0,005 à 90 degrés Celsius, et point d'éclair ≥ 135 °C pour l'huile minérale inhibée.
L'IEC 60422 traite de la supervision sur le terrain. Elle fixe des seuils pour la teneur en eau, l'acidité, la tension de claquage et le tan delta en fonction de la classe de tension, ainsi que définit les intervalles d'échantillonnage. Pour un transformateur de la classe 35 kV, la valeur recommandée pour la tension de claquage en fonctionnement est généralement de 50 kV/2,5 mm.
L'analyse des gaz dissous représente la couche de diagnostic. L'IEC 60599 définit comment analyser les sept gaz clés résultant de divers défauts : hydrogène, méthane, éthane, éthylène, acétylène, monoxyde de carbone et dioxyde de carbone. Le doublement de l'hydrogène avec l'augmentation de l'acétylène montre qu'un arc se produit, tandis qu'un éthylène soutenu avec un grand hydrogène indique des défauts thermiques. Cette interprétation des défauts selon la norme représente de loin l'outil de diagnostic le plus important pour surveiller les dispositifs remplis d'huile de manière suffisamment opportune à ce stade.
| Propriété de l'huile | Nouvelle huile (IEC 60296) | Limite en service (IEC 60422) |
|---|---|---|
| Tension de claquage | ≥ 30 kV/2.5mm (non traité), ≥ 60 kV/2.5mm (traité) | ≥ 50 kV/2.5mm pour la classe >72.5 kV |
| Teneur en eau | ≤ 30 ppm | Tendance à la hausse examinée > 20-30 ppm |
| Acidité (valeur de neutralisation) | ≤ 0,01 mg KOH/g | ≤ 0,10-0,15 mg KOH/g |
| Tan delta à 90°C | ≤ 0,005 | ≤ 0.05-0.10 selon la classe |
| Point d'éclair | ≥ 135°C | Pas de chute significative par rapport à la valeur nouvelle |
Ces exigences sont des mesures tangibles de la performance de sécurité de l'huile de transformateur ; le respect de ces exigences est considéré comme un critère pour l'acquisition et l'utilisation, et non simplement une intention.
D'un point de vue opérationnel, cela est financièrement favorable. Les tests réguliers d'huile d'un transformateur de 10 MVA coûtent $200–$600 selon le laboratoire utilisé pour les tests et l'étendue des besoins. Une tendance DGA manquée qui entraîne la génération d'une défaillance de point chaud entraîne des coûts de $200,000–1,000,000 pour le remplacement et le temps d'arrêt de l'unité. Le ratio démontre la rentabilité de la pratique qui est de 1:1,000.
Normes IEEE : C57.12.00 et C57.104
En Amérique du Nord et dans d'autres territoires où la technologie américaine est préconisée, l'IEEE C57 remplit néanmoins la fonction de l'IEC 60076 ailleurs.
- L'IEEE C57.12.00 est la norme des exigences globales dans le domaine des transformateurs de distribution et de puissance remplis de liquide, spécifiant les classifications, l'impédance, l'élévation de température, les tests diélectriques (niveau d'impulsion de base, BIL) et les pratiques de test. Par exemple, selon les définitions IEEE, un transformateur de classe 35kV devrait généralement avoir un BIL de 200 kV.
- Le document IEEE C57.104 sert de guide pour interpréter les résultats DGA ayant regroupé les concentrations de gaz en 4 catégories (normal, élevé, haut et très haut) avec des actions préétablies et une répétition pour l'échantillonnage.
- L'IEEE C57.12.10 est la norme qui discute des conceptions, y compris celles montées sur socle et de type coffre.
L'IEC et l'IEEE diffèrent uniquement dans leur stade de spécifications. Les unités développées selon une norme ne peuvent pas répondre aux exigences de l'autre norme, car les niveaux d'impulsion, les tolérances d'impédance et les conventions de nommage diffèrent. Par conséquent, les personnes souhaitant acheter des unités doivent indiquer les normes applicables dans chaque demande sans possibilité d'utiliser “ IEC 60076 “ et « IEEE C57.12.00 » comme termes interchangeables.
Codes de sécurité incendie et d'installation : NFPA et IEC 61936
Un niveau distinct de réglementations régit la sécurité des installations. La plupart des acheteurs de machines ne sont pas du tout conscients de telles lois, mais ils ont depuis longtemps déterminé si un certain transformateur pouvait être monté à un emplacement particulier.
| Code | Portée | Exigences clés pour les transformateurs à huile |
|---|---|---|
| NFPA 70 (NEC) | Installations électriques aux États-Unis. | Dégagements, fosses, distances de séparation pour les transformateurs remplis de liquide |
| NFPA 850 | Protection contre l'incendie pour les centrales électriques | Séparation, suppression, confinement de l'huile pour les transformateurs |
| IEC 61936-1 | Installation d'équipements électriques au-dessus de 1 kV | Exigences en matière de dégagements, barrières, mise à la terre et confinement de l'huile |
| NFPA 921 / NFPA 30 | Enquête sur les incendies / liquides inflammables | Règles de sécurité incendie de base qui font référence à la manipulation de l'huile de transformateur |
L'application de ce code a des manifestations pratiques dans toute sous-station correctement construite : un mur coupe-feu ou une distance séparant les transformateurs (normalement autour de 4 à 8 mètres ou un mur ayant été classé pour un incendie de 3 heures entre les unités), une fosse ou un bund de confinement d'huile pouvant contenir 100% de l'huile plus la quantité d'eau d'incendie, un drainage éloigné des zones vulnérables, et des distances minimales entre les bornes et les boîtes de câbles. De plus, de nombreuses zones exigent une détection ou une suppression automatique des incendies pour les installations intérieures avec une certaine classification (par exemple, les installations intérieures de plus de 10 MVA ou 500 kVA dans des lieux peuplés nécessitent généralement l'installation de systèmes de détection et de suppression automatique des incendies).
Exigences en matière d'équipement de sécurité
La suite standard de dispositifs de protection pour les transformateurs à huile avec conservateurs, comme indiqué dans IEC 60076-1 et les normes d'installation, a été définie, et chaque élément de cette suite a reçu une fonction ainsi qu'un mode de défaillance qui doit être surveillé, tel que :
- Relais Buchholz (gaz) : Capable à la fois d'une alarme d'accumulation de gaz lente et d'une fonctionnalité de déclenchement rapide en cas de montée d'huile ; le câblage et le test du circuit de déclenchement de gaz constituent un échec d'audit comme mentionné précédemment.
- Dispositif de décharge de pression : Libère rapidement le réservoir pour soulager toute augmentation de pression interne ; il doit être suffisant pour la taille du transformateur et doit être vérifié pour un fonctionnement efficace de manière continue.
- Indicateur de niveau d'huile ; un dispositif qui maintient les niveaux d'huile en tenant compte de l'expansion thermique ; un niveau d'huile bas permet l'exposition des enroulements à l'air chaud et provoque des fuites de gaz.
- Capteurs de température ; des alarmes indiquant à la fois la température de l'huile supérieure et la température des enroulements (indiquant si elle est excessive) doivent respecter les limites mentionnées dans la documentation IEC 60076-2.
- Déshydrateurs à gel de silice ; un dispositif qui fournit une déshumidification de l'air entrant dans le conservateur ; le gel de silice rose témoigne de la saturation par l'humidité, ce qui est une exigence d'inspection visuelle de routine.
- Confinement de l'huile ; un confinement en rapport direct avec le volume d'huile est attendu conformément au document IEC 61936-1 et aux réglementations locales.
Aucun de ces dispositifs n'est trop coûteux par rapport au dispositif d'origine, mais chacun d'eux est un composant nécessaire d'une chaîne de sécurité.
| Dispositif de protection | Fonction | Fréquence de test |
|---|---|---|
| Relais Buchholz (gaz) | Alarme à gaz lent, déclenchement rapide sur montée d'huile | Annuel, plus test à la mise en service |
| Dispositif de décharge de pression | Ventilation rapide du réservoir en cas de pression interne | Vérifier le re-scelle annuel |
| Indicateur de niveau d'huile | Avertissement de bas niveau avant exposition | Visuel trimestriel |
| Indicateurs de température d'huile / d'enroulement | Alarme et déclenchement sur limites thermiques | Calibrer tous les 2 à 3 ans |
| Déshydrateur à gel de silice | Élimination de l'humidité de l'air d'admission | Vérification visuelle chaque trimestre |
Un court-circuit qui déclenche correctement le relais Buchholz est un événement ; la même panne avec un relais mort est une catastrophe.
Codes nationaux : GB et NEC en pratique
La pratique chinoise d'exportation de transformateurs repose principalement sur la série GB, qui correspond étroitement à celle des normes IEC. En ce qui concerne les transformateurs immergés dans l'huile, les normes GB appliquées dans le domaine respectif sont GB 1094 (équivalent à IEC 60076), GB/T 6451 (niveaux de pertes), GB 20052 (classes d'efficacité) et GB/T 50065 ainsi que GB 50060 (relatif à la mise à la terre et à l'agencement des sous-stations). Le système de classe d'efficacité selon GB 20052-2020 permet la mise en œuvre des niveaux de pertes.
En ce qui concerne les États-Unis, le National Electrical Code (NFPA 70) Article 450 régit les pratiques d'installation des transformateurs en termes de distances de séparation pour les transformateurs isolés à l'huile dans les bâtiments et certaines exigences de voûte pour les transformateurs au-dessus de 35 kV. En cas de transformateurs remplis de liquide présents à l'intérieur, le NEC exige soit la présence d'une salle résistante au feu, soit des mesures de séparation appropriées avec un système de suppression d'incendie.
Le message pratique pour les acheteurs à l'exportation est : demander une certification IEC ou IEEE de l'usine, tout en s'assurant que l'installation respecte le code local.
Une liste de contrôle de conformité pour les acheteurs et les opérateurs
- Demander le package de test complet : rapport de test standard selon IEC 60076-1, rapport de tests de type (élévation de température, impulsion, court-circuit) concernant la conception, et certificat d'huile selon IEC 60296.
- Assurez-vous que la certification est plus qu'un simple logo : demandez l'organisme qui l'a délivrée et le numéro de rapport ; vérifiez la classification avec la plaque signalétique.
- Vérifiez les niveaux d'impulsion : pour l'unité de classe 35 kV, vous devez vous attendre à 170 kVp selon IEC ou 200 kV BIL selon la norme IEEE ; spécifiez lequel est applicable à votre unité.
- Concevez la rétention d'huile avant de la commander, et non après : le bund doit être capable de contenir le volume total d'huile et être conforme tout en respectant les pratiques de votre région.
- Câblez et testez tous les dispositifs de protection lors de la mise en service : Buchholz gaz et déclenchement de surtension, soupape de décharge, ainsi que les deux niveaux d'alarme de température.
- Établissez la période de test : tests DGA annuels et tests diélectriques conformément à l'IEC 60422 ; plus fréquents s'il y a des changements dans les rapports de gaz ou clés.
- Conservez les documents tout au long de la durée de vie de l'actif : rapports de test, historique DGA et journal de changement de prise peuvent servir de base pour des opérations sûres et des réclamations d'assurance.
Comment les fabricants démontrent la conformité
| Marque | Approche de conformité | Concentrer |
|---|---|---|
| Hitachi Energy | Certifié IEC/IEEE, vaste historique de tests de type | Transformateurs de puissance, services publics |
| ABB | Réseau mondial de laboratoires d'essai, rapports de test de type KEMA | Transformateurs de distribution et transformateurs de puissance |
| Siemens Energy | Programmes de conformité double IEC/IEEE | Grands transformateurs de puissance |
| Schneider Electric | Transformateurs de distribution listés UL en Amérique | Distribution, commercial |
| Grands acteurs indiens (TBEA, EMCO) | Certification IEC/IS, preuves solides de tests de type | Transformateurs de distribution à l'exportation |
| Jiangsu Subian Electric Power | Certifié IEC 60076, rapports de test en usine par unité | Transformateurs à huile immergée à l'exportation |
Les marques premium basent une partie de leur structure de prix sur les preuves des tests, l'étendue de la documentation et un bilan mondial prouvé en matière de sécurité. Cependant, la conformité est devenue plus abordable. Des usines chinoises et indiennes capables, malgré un passé de fabrication moins connu, répondent aux exigences IEC en utilisant des équipements calibrés et fournissent des certificats. L'acheteur est plus préoccupé par la réalité de ces certificats que par d'autres détails, qui incluraient le pays de production, les résultats de tests np431p4, etc.
Le cas de Jiangsu Subian Electric Power mérite également d'être mentionné. L'usine a développé des transformateurs à huile immergée conformément à la norme IEC 60076 et émet des rapports de routine sur le rapport, le groupe vectoriel, l'impédance, les pertes à vide et sous charge et les tests diélectriques avec chaque livraison. L'usine est ouverte aux audits de tiers et émet des certificats d'huile conformément à l'IEC 60296 et documente l'équipement de sécurité en conséquence. Les détails sont disponibles sur subian-electric.com.
Questions Fréquemment Posées
Quelle est la résistance diélectrique minimale pour l'huile de transformateur ?
Selon l'IEC 60296, la tension de claquage de l'huile neuve ne doit pas être inférieure à 30 kV/2,5 mm avant traitement et 60 kV/2,5 mm après traitement pour la meilleure qualité. La tension de claquage pour une utilisation opérationnelle dans l'approvisionnement électrique à des tensions supérieures à 72,5 kV doit être d'au moins 50 kV/2,5 mm conformément aux exigences de l'IEC 60422, et des limites inférieures s'appliquent à d'autres catégories. Tout ce qui est inférieur à 30 kV/2,5 mm en service nécessite des vérifications immédiates.
Quelle est la différence entre l'IEC 60076 et l'IEEE C57.12.00 ?
Bien que les deux normes fournissent des définitions des classifications, des tests et des spécifications concernant les transformateurs remplis de liquide, elles diffèrent par le niveau d'impulsion, les valeurs d'impédance, les méthodes d'élévation de température et les procédures de test. Par exemple, dans les transformateurs IEC 35 kV, la tension d'impulsion est de 170 kVp, tandis que son homologue IEEE utilise généralement 200 kV BIL. Il est recommandé d'adopter une norme réglementaire pour chaque projet.
À quelle fréquence l'huile de transformateur doit-elle être testée ?
Selon la norme IEC 60422, la fréquence d'échantillonnage pour les équipements en conditions normales est d'une fois par an et inclut l'analyse des gaz dissous, la tension de rupture, l'acidité, la teneur en eau et les tests de tan delta. L'équipement en cours de mise en service doit avoir une mesure initiale des gaz dissous dans les quelques semaines suivant sa mise en service. En cas de saut de concentration de gaz ou de changement d'un rapport clé de gaz, la fréquence d'échantillonnage passe à une fois par mois jusqu'à ce que les résultats se stabilisent.
Un relais Buchholz est-il obligatoire ?
Les transformateurs immergés dans l'huile avec un conservateur d'une puissance d'environ 1 MVA ou plus nécessitent effectivement un certain type de relais Buchholz pour la protection conformément à la norme IEC 60076-1 et aux normes de protection des relais. Pour les transformateurs hermétiquement scellés ou les petits transformateurs de distribution, un relais de pression de gaz ou un dispositif de décharge de pression avec alarme seraient des substituts.
Les normes de sécurité des transformateurs ajoutent-elles des coûts significatifs ?
Insignifiant. En général, le coût associé à l'équipement de protection, aux résultats des tests et à la documentation requise pour se conformer à l'IEC/IEEE est ajouté au prix total du produit, ce qui représente 1–3%. En revanche, toute non-conformité à cette norme pourrait entraîner des dépenses beaucoup plus importantes, telles qu'un incendie entièrement évitable, des réclamations d'assurance refusées ou d'énormes pannes.
Références
- IEC 60076-1 : Transformateurs de puissance – Général — La norme de conception et de test fondamentale pour les transformateurs de puissance immergés dans l'huile.
- IEC 60296 : Fluides pour applications électrotechniques – Huiles minérales isolantes — Spécification pour la qualité de l'huile de transformateur neuve.
- IEC 60422 : Huiles isolantes minérales – Guide de supervision et de maintenance — Limites et calendriers de test d'huile en service.
- IEC 61936-1 : Installations électriques dépassant 1 kV c.a. — Exigences d'installation, de dégagement et de confinement de l'huile.
- IEEE C57.12.00 : Transformateurs de distribution et de puissance immergés dans un liquide — Équivalent des exigences générales nord-américaines.
- IEEE C57.104 : Interprétation des gaz générés dans les transformateurs immergés dans l'huile — Interprétation DGA et niveaux d'action.
- NFPA 850 : Protection contre l'incendie pour les centrales électriques et les stations de conversion à courant continu haute tension — Pratique de séparation et de suppression des incendies pour les transformateurs.
- Site officiel de Jiangsu Subian Electric Power — Produits de transformateurs certifiés IEC 60076 et documentation de test.
Conclusion
La sécurité des transformateurs immergés dans l'huile n'est pas seulement une norme isolée mais plutôt une combinaison de plusieurs normes, y compris IEC 60076 signifiant exigences de conception et de test, normes d'huile, IEEE C57 pour l'Amérique du Nord, NFPA et IEC 61936 pour les exigences d'installation et de protection contre l'incendie. Chaque norme a ses propres mesures de sécurité comme une élévation de 65K, une impulsion de 170 kVp et une résistance de l'huile évaluée à 50 kV/2.5mm.
Points importants :
- Demandez toujours un package de test avant de faire un achat, car les rapports de tests de type prouveront la sécurité de la conception.
- Assurez-vous que l'analyse des gaz dissous et les tests d'huile sont considérés comme une dépense annuelle étant donné qu'ils sont obligatoires et non supplémentaires.
- Assurez-vous de câbler, tester et enregistrer chaque appareil lors de la mise en service.
- N'oubliez pas de concevoir la rétention d'huile conformément aux normes locales avant l'expédition du transformateur.
Des entreprises comme Jiangsu Subian Electric Power fabriquent des transformateurs immergés dans l'huile en conformité avec la norme IEC 60076 avec toute la documentation de test à des prix compétitifs.