La technicienne effectue une inspection matinale lorsqu'elle constate que la couleur du gel de silice dans le déshydratant du transformateur est passée de bleu à rose vif dans la partie supérieure de la colonne, tandis que celle du niveau d'huile dans le conservateur est proche du minimum. Elle vérifie pour enregistrer les deux événements mais se souvient du manuel de maintenance que ces observations indiquent deux signes d'alerte précoce d'un problème : l'humidité et l'air entrant dans le système d'huile fermé du transformateur. La même chose s'est produite dans un transformateur d'une autre entreprise il y a dix ans lorsque l'équipement a échoué en raison des mêmes problèmes. Après l'accident, le rapport d'analyse des gaz dissous a indiqué qu'il y avait des signes d'augmentation des niveaux d'hydrogène qui avaient été visibles depuis longtemps dans l'état du déshydratant. Le problème a été détecté par le relais de gaz – dans ce cas, il est équipé d'un relais Buchholz.
L'article fournit les détails sur le fonctionnement des déshydratants et des relais de gaz dans un transformateur à huile, leur importance, comment interpréter leurs signaux et quel est le coût d'une nouvelle unité.
Le déshydratant fait partie du conservateur d'huile. C'est un dispositif à base de gel de silice qui élimine l'humidité de l'air aspiré à travers le conservateur d'huile pendant que le transformateur respire. Le relais de gaz est un autre dispositif de protection qui est normalement installé entre le conservateur et le réservoir pour détecter l'accumulation de gaz due à un dysfonctionnement du transformateur. Le prix d'un déshydratant varie généralement entre $50 et $300 et le relais de gaz coûte généralement entre $100 et $600. En général, tous les transformateurs de puissance d'une puissance supérieure à 1 MVA doivent être équipés de relais de gaz (norme IEC 60076-1). Il est obligatoire pour tous les types de conservateurs d'utiliser des déshydratants. Le gel de silice dans le déshydratant doit être vérifié régulièrement tous les 3 à 6 mois et régénéré lorsqu'il change de couleur.
Pourquoi les transformateurs immergés dans l'huile ont besoin des deux
L'huile utilisée dans le transformateur immergé dans l'huile remplit des fonctions doubles de refroidissement et d'isolation. Les deux fonctions peuvent être compromises par les deux ennemis contre lesquels les relais de gaz et les déshydratants protègent — l'humidité et les gaz provenant de défauts internes. Un transformateur rempli d'huile respire parce que l'huile se dilate et se contracte avec la température : à mesure que la charge augmente, l'huile chauffe et se dilate et pousse l'air à travers le déshydratant. Lorsque l'huile refroidit, l'air revient dans le réservoir. Sans un déshydratant, l'air apporterait l'humidité à l'huile car l'eau est le moyen le plus rapide d'échec de l'isolation. Juste quelques centaines de parties par million d'eau dans l'huile du transformateur peuvent affecter dramatiquement sa résistance diélectrique — la tension de claquage peut être abaissée de plus de 60 kV à moins de trente kV avec l'augmentation de l'humidité.
Les relais de gaz combattent l'autre bataille. Les défauts internes — enroulements court-circuités, défauts de noyau, connexions lâches — créent de la chaleur et déchargent des arcs électriques, qui décomposent l'huile en gaz. Les gaz formés montent vers le haut du réservoir et vont au conservateur par le tuyau menant au relais de gaz, permettant ainsi au relais de gaz de détecter le gaz bien avant que d'autres protections ne puissent le voir.
Le Breather : Fonction et Conception
Un breather déshydratant est une unité cylindrique qui est installée sur l'entrée d'air d'un conservateur, généralement sur le dessus d'un réservoir de conservateur. Le breather utilise un matériau dessicant qui est généralement du gel de silice à travers lequel tout l'air entrant passe. Le gel de silice élimine l'humidité de l'air entrant avant qu'il n'atteigne l'huile. Un changement de couleur du gel de silice de l'état actif (principalement bleu) à l'état hydraté (rose, blanc ou orange selon la qualité) indique la quantité de capacité restante pour que le dessicant absorbe l'humidité.
L'unité a généralement un joint d'huile ou une vanne anti-retour pour empêcher la saturation du dessicant avec de l'eau due aux éclaboussures de pluie. Le dispositif permet également aux gaz de s'échapper et n'autorise pas l'humidité à entrer. Les breathers modernes peuvent être équipés d'une fenêtre indicatrice, d'une cartouche amovible avec dessicant pour le renouvellement, et d'un chauffage dans des environnements froids où l'humidité peut se condenser à l'intérieur de l'unité. Un breather déshydratant classique peut peser entre un et trois kilogrammes de gel de silice et fonctionner pour de nombreux transformateurs de seulement quelques MVA ; une échelle plus grande nécessite un boîtier plus grand ou une combinaison de plusieurs breathers.
Le Relais de Gaz : Fonction et Conception
Le relais de gaz — communément appelé relais Buchholz d'après son inventeur Max Buchholz (1921) — est positionné dans le système de tuyauterie qui relie le réservoir principal au conservateur, ayant une légère inclinaison qui permet la montée des gaz. Il comprend deux interrupteurs à flotteur et certains types ont une barrière qui distingue les vagues.
- Accumulation de gaz : De petits défauts internes provoquent une accumulation lente de gaz. En conséquence, cela pousse l'huile vers le haut dans la chambre supérieure du réservoir, ce qui réduit le niveau du flotteur supérieur et ferme le contact d'alarme. Ensuite, le technicien peut ventiler le relais et prélever des échantillons de gaz pour examen.
- Surge d'huile : Lorsqu'un gros défaut se produit, par exemple, un court-circuit de l'enroulement, l'huile commence à affluer du réservoir vers le conservateur à grande vitesse. Le déflecteur est libéré et fait descendre le flotteur inférieur, fermant ainsi la connexion de déclenchement qui entraîne la déconnexion du transformateur.
De cette manière, le relais Buchholz devient le premier et le plus efficace dispositif de protection car il détecte l'émergence d'un défaut même avant que le courant n'augmente suffisamment pour déconnecter le transformateur.
Types de Relais de Gaz et Breathers
| Taper | Description | Gamme de prix typique |
|---|---|---|
| Breather standard en gel de silice | Colonne dessicante de 1-3 kg, joint d'huile, fenêtre | $50-$300 |
| Breather de grande capacité / industriel | Colonne de 5-15 kg pour transformateurs de puissance, option chauffage | $300-$1,500 |
| Breather indiquant un changement de couleur | Gel de silice bleu à rose, cartouche remplaçable | $80-$400 |
| Relais Buchholz classique (type flotteur) | Deux flotteurs, alarme de gaz + déclenchement de surtension, vue en verre | $100-$500 |
| Relais de gaz électronique / intelligent | Capteurs ajoutés, indication à distance, port prêt pour DGA | $400-$1,200 |
Dans le cas d'un transformateur de distribution ou industriel, le relais de type flotteur Buchholz et un breather à gel de silice à changement de couleur sont les outils de préférence, simplement parce qu'ils sont les plus fiables et les moins chers. Les versions électroniques offrent des données sur le fonctionnement du relais dans des emplacements éloignés.
Lecture des Signaux : Ce que Chaque Dispositif Vous Indique
| Observation | Signification Probable | Action |
|---|---|---|
| Gel de silice devenu rose / blanc | Dessiccant épuisé ; humidité entrant dans l'huile | Régénérer ou remplacer le gel de silice ; vérifier la teneur en eau de l'huile |
| Niveau d'huile bas dans le conservateur avec gel bleu | Fuite d'huile ou entrée d'air | Trouver et réparer la fuite ; compléter l'huile |
| Alarme de relais de gaz activée, gaz dans le verre | Défaut interne lent ; la composition du gaz l'identifie | Collecter un échantillon de gaz pour DGA ; ne pas réinitialiser sans analyse |
| Déclenchement du relais de gaz activé | Défaut majeur ; surtension d'huile | Isoler le transformateur ; enquêter avant de réénergiser |
| Alarmes fréquentes du relais de gaz, pas de changement de charge | Défaut interne récurrent ou connexion lâche | Inspection interne complète ; tests de résistance des enroulements et de rapport de tours |
La pratique la plus importante concernant l'entretien des transformateurs est de considérer l'alarme du relais de gaz comme une demande d'échantillon de laboratoire, et non simplement comme une réinitialisation. La présence d'hydrogène (H₂) et d'acétylène (C₂H₂) indique la survenance d'arc, la présence d'éthylène (C₂H₄) et d'éthane (C₂H₆) indique des points chauds tandis qu'une faible concentration d'hydrogène indique une décharge partielle. Chaque cas mène à une zone différente du transformateur.
Spécifications et Sélection
| Paramètre | Déshydratateur | Relais de Gaz |
|---|---|---|
| Capacité / évaluation | Masse de dessiccant : 1-15 kg par volume d'huile | Taille de tuyau : DN50-DN100 correspondant au tuyau du conservateur |
| Norme | IEC 60076-1 lié ; spécification du fabricant | IEC 60076-1 ; relais testé selon la norme du fabricant |
| Matériaux | Corps galvanisé / en acier inoxydable, fenêtre en verre ou en polycarbonate | Corps en fonte avec ports de vue en verre, flotteurs en laiton/acier |
| Contacts d'alarme / de déclenchement | Aucun (visuel uniquement) ou alarme optionnelle en cas d'humidité élevée | Deux contacts indépendants : alarme de gaz, déclenchement de surtension (par exemple, 250 V, 2-3 A AC) |
| Montage | Haut du conservateur, entrée d'air | Tuyau entre le réservoir et le conservateur, pente de 1 à 5° |
Choisissez la taille du diamètre du tuyau en tenant compte du relais de gaz utilisé et de la classification des contacts, soit AC soit DC. Pour les dessiccateurs, optez pour la quantité de dessiccant selon la capacité d'huile du transformateur et le taux de respiration, avec une règle générale qui stipule que, pour les équipements de distribution, utilisez environ 1 kg de gel de silice pour chaque 1 000-2 000 litres d'huile.
Intervalles et procédures de maintenance
Les deux dispositifs sont peu coûteux, faciles à utiliser et souvent ignorés, ce qui fait que les dispositifs ne parviennent pas à remplir leurs fonctions efficacement. Un plan logique est le suivant :
- Dessiccateur – tous les trois à six mois, vérifiez la couleur du gel de silice. Remplacez ou régénérez le gel lorsqu'il est devenu inefficace. Le gel de silice bleu peut être séché en le mettant dans un four réglé à 105-120 °C et en le maintenant là pendant plusieurs heures jusqu'à ce qu'il retrouve sa couleur bleue.
- Relais de gaz – une fois par an, vérifiez que le dispositif fonctionne en ouvrant la vanne de test par laquelle le contact d'alerte se ferme chaque fois que le dispositif fonctionne.
- Relais de gaz – pour chaque analyse de gaz dissous dans l'huile, comparez le contenu de gaz accumulé avec les enregistrements de gaz à l'intérieur du corps du transformateur.
- Joint de dessiccateur – une fois par an, assurez-vous que les niveaux d'huile et les vannes anti-retour sont à un niveau approprié. Le joint desséché signifie une humidité potentielle entrant par le port du dessiccateur lui-même.
Le coût de cette surveillance simple peut être de quelques centaines de dollars par an, tandis que les coûts de ne pas les surveiller peuvent entraîner des enroulements affectés par l'humidité ou des pannes internes non détectées entraînant un réenroulement complet du transformateur coûtant, en moyenne, 50 à 80 % du prix d'un nouveau transformateur.
Lorsque le relais de gaz obtient un échantillon, la concentration de gaz montre ce qui a causé la panne, car c'est ce que le laboratoire impliqué dans l'analyse des gaz dissous vérifie toujours en premier.
| Signature de gaz | Panne indiquée | Étape suivante recommandée |
|---|---|---|
| H₂ + C₂H₂ (acétylène) élevé | Arc dans l'enroulement ou le noyau | Inspection interne ; tests de résistance des enroulements et de rapport de tours |
| H₂ élevé seul (faible concentration) | Décharge partielle | Continuer la surveillance DGA ; vérifier le matériel desserré |
| C₂H₄ + C₂H₆ (éthylène/éthane) élevé | Point chaud thermique (surchauffe) | Vérifiez le profil de charge, le refroidissement, le niveau d'huile ; répétez la DGA dans 1 à 3 mois |
| CO + CO₂ élevé | Vieillissement du papier/isolation ou surchauffe | Analyse de furan ; estimer la durée de vie restante de l'isolation |
| Dominé par l'azote sans gaz de panne | Respiration normale / pas de panne interne | Continuer la surveillance de routine |
Où ils sont utilisés
Les dessiccateurs et les relais de gaz peuvent être trouvés sur de nombreux transformateurs remplis d'huile avec conservateurs, généralement à partir de 50 kVA et plus. La configuration standard comprend :
- Transformateurs de distribution (50-2 500 kVA) : déshydrateur standard avec un relais de gaz fortement recommandé pour au-dessus de 1 MVA.
- Transformateurs de puissance (5-100 MVA) : un déshydrateur plus grand, relais Buchholz avec alarme et capacité de déclenchement, qui est obligatoire selon la norme IEC 60076-1.
- Transformateurs de montée de générateur et de réseau : plusieurs déshydrateurs et relais sont généralement équipés de la possibilité de surveillance électronique.
- Transformateurs avec conceptions hermétiquement scellées et réservoir d'expansion : le déshydrateur peut être représenté uniquement par un sac d'expansion ; cependant, le relais de gaz reste un facteur au-dessus de 1 MVA.
Transformateurs hermétiquement scellés et à verrouillage d'air (utilisant de l'azote) simplifient le travail d'un déshydrateur ; néanmoins, le conservateur avec un déshydrateur prévaudra pendant de nombreuses années, surtout dans les endroits avec des charges variables et des taux d'humidité élevés.
Marques et comparaison des prix
| Marque | Origine | Produits | Plage de prix approximative |
|---|---|---|---|
| M. Reinhausen | Allemagne | Relais de gaz et accessoires de qualité supérieure | $300-$1,500 |
| ABB | Suisse/Suède | Relais et déshydrateurs en tant qu'accessoires de transformateur | $150-$1,000 |
| Schneider Electric | France | Accessoires de protection de classe distribution | $80-$500 |
| Comem (Italie) / Lokato | Italie / Chine | Fabricants spécialisés d'accessoires de relais de gaz et de conservateur | $100-$600 |
| Fournisseurs d'accessoires généraux | Divers | Déshydrateurs en gel de silice, toutes tailles | $50-$1,200 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Chine | Épurateurs, relais Buchholz, ensembles de réservoirs complets avec accessoires | $60-$700 |
Dans le segment des accessoires, des fabricants comme MR Reinhausen et Comem établissent les normes de qualité des relais de gaz, tandis que des fabricants européens rencontrent une popularité sérieuse parmi les acheteurs de solutions de transformateurs de puissance. Le transformateur complet — réservoir, conservateur, épurateur et relais Buchholz testés comme un seul ensemble — est fourni par des fabricants comme Jiangsu Subian Electric Power, qui effectue tout le travail sur le site du fabricant et propose des prix bas qui sont environ 40-60% inférieurs à ceux des fabricants occidentaux. La différence réside dans le fait que la qualité du relais de gaz et de l'épurateur n'est pas le domaine où vous économisez de l'argent en achetant un transformateur, mais plutôt le domaine qui définit si un bon fabricant considère les accessoires comme une partie de la conception du transformateur ou non.
Comment choisir et installer
- Connectez le relais de gaz au tuyau. Choisissez un diamètre de connexion de conservateur (alésage nominal DN50-DN80) et la puissance du transformateur pour garantir que les cotes de contact pour le circuit de déclenchement sont appropriées.
- L'épurateur doit être sélectionné en fonction du volume d'huile dans le transformateur. Plus le volume d'huile est élevé, plus le taux de respiration et la quantité de dessicant sont élevés ; assurez-vous d'avoir un chauffage installé si vous travaillez dans des conditions de gel ou d'humidité.
- Assurez-vous que le relais est correctement positionné. Une pente de 1-5° vers le relais est recommandée pour garantir que le gaz s'accumule dans le relais — assurez-vous que la flèche sur le relais indique le conservateur.
- Connectez les circuits d'alarme et de déclenchement séparément. L'alarme de gaz doit être connectée à SCADA ; en revanche, le déclenchement de surtension doit être câblé au circuit du disjoncteur du transformateur.
- Placez l'épurateur au point le plus élevé du tuyau. L'entrée d'air doit être placée au-dessus du niveau d'huile maximum dans le conservateur afin que l'huile ne puisse pas inonder le dessicant.
- Spécifiez les appareils dans le contrat. Indiquez le type de relais et la capacité de l'épurateur dans le bon de commande, et assurez-vous d'avoir leurs rapports d'essai dans le certificat de livraison.
Questions Fréquemment Posées
Combien coûte un épurateur et un relais de gaz ?
Le prix d'un épurateur en gel de silice standard pesant entre 1 kg et 3 kg varie de 50 à 300 dollars ; celui d'un épurateur de transformateur de puissance de grande taille se situe entre $300 et $1,500 ou plus. Un relais de gaz Buchholz traditionnel coûte entre $100 et $500, tandis qu'un modèle électronique avec surveillance à distance coûte entre $400 et $1,200. Les deux accessoires représentent au maximum trois pour cent du prix d'un transformateur complet.
À quelle fréquence dois-je vérifier ou changer le gel de silice dans l'épurateur ?
Effectuez des contrôles visuels sur la couleur au moins tous les trois à six mois, plus fréquemment dans des environnements humides. Si le gel bleu devient rose ou blanc, il est complètement utilisé. Régénérez-le en le chauffant entre 105 °C et 120 °C jusqu'à ce que sa couleur redevienne bleue ou remplacez-le complètement. Si le breather saturé n'est pas remplacé, l'humidité pénétrera dans l'huile entraînant une défaillance du système d'isolation.
Que détecte réellement le relais de gaz ?
Cet appareil peut identifier deux types de défauts. Le premier est l'accumulation de gaz causée par un défaut interne lent où le gaz force l'huile à déplacer le flotteur, ce qui déclenche un contact d'alarme. Le second est une montée soudaine d'huile causée par un défaut sévère qui déplace un déflecteur, ouvrant instantanément le disjoncteur du transformateur. Le gaz collecté peut être analysé pour déterminer sa composition (hydrogène, acétylène, éthylène), informant ainsi si le défaut était dû à un arc, des points chauds ou une décharge partielle.
Pourquoi mon alarme de relais de gaz continue-t-elle de fonctionner sans changement de charge ?
Une alarme de gaz répétée avec une charge normale indique généralement qu'il y a un défaut interne, généralement une connexion lâche, un tour court-circuité ou une surchauffe du noyau. Évitez de réinitialiser l'alarme sans d'abord prélever des échantillons de gaz et effectuer une analyse de gaz dans l'huile. Si l'alarme de gaz se déclenche souvent, cela indique que le transformateur nécessite la réalisation de tests internes (tests de résistance d'isolation, rapport de tours et tests de résistance des enroulements).
Un transformateur peut-il fonctionner sans relais de gaz ?
L'affirmation est techniquement correcte. Cependant, il est de mauvaise pratique et non conforme d'utiliser un Buchholz sur des transformateurs ayant une puissance supérieure à environ 1 MVA, où la protection est obligatoire, selon la norme IEC 60076-1. Le relais Buchholz est le seul équipement détectant les défauts internes en développement avant qu'un court-circuit phase à phase ne se produise. Sans lui, le premier signe de défaut peut être le déclenchement catastrophique ou un incendie. Le coût du relais se situe entre $100 et $600, et ce relais est considéré comme l'une des formes de protection les moins chères dans les sous-stations.
Références
- IEC 60076-1 — Transformateurs de puissance, Exigences générales — La norme maîtresse couvrant les accessoires tels que les relais de gaz sur les transformateurs immergés dans l'huile.
- IEEE C57.106 — Guide pour l'acceptation et l'entretien de l'huile minérale isolante — Limites d'humidité et conseils sur l'état de l'huile que la maintenance du breather protège.
- IEEE 62 — Guide pour les tests de diagnostic sur le terrain des appareils électriques. — Contexte de test sur le terrain pour les relais et l'isolation.
- MR Reinhausen — Accessoires et relais de gaz. — Documentation de référence pour les conceptions de relais de gaz haut de gamme.
- Directives de sécurité électrique de l'OSHA — Contexte de sécurité au travail pour travailler sur des systèmes de protection de transformateurs sous tension.
- Magazine Transformers — Publication de l'industrie avec des articles pratiques sur la maintenance des breathers et des relais.
Conclusion
Les premiers à apparaître sur la liste des composants à faible coût et informatifs qui sont presque oubliés mais toujours très nécessaires dans un transformateur rempli d'huile sont le relais de gaz et le breather. Le premier vous alerte sur d'éventuels problèmes à l'intérieur du transformateur et indique quand quelque chose ne va pas.
- Vérifiez la couleur du gel de silice tous les 3 à 6 mois et lorsqu'il n'est pas fonctionnel, régénérez-le ou remplacez-le.
- Ne traitez aucune alarme de relais de gaz comme un bouton de suppression ; considérez-la comme une demande d'échantillon DGA.
- Effectuez un contrôle du relais de gaz pour vérifier son fonctionnement chaque année et assurez-vous que le circuit de déclenchement fonctionne correctement.
- Dans le contrat de transformateur, incluez ces deux composants et demandez les enregistrements de leurs tests.