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 | Low-pour naphthenic | $2.5-$3.5 | Most common cold-region spec |
| -35°C to -50°C | -50°C to -60°C | Naphthenic or synthetic ester | $3.5-$15 | Check low-temperature viscosity |
| Below -50°C | -60°C or lower | Synthetic ester or silicone | $8-$30 | Confirm pump and gasket ratings |
The Selection Process
Determine the lowest temperature in the site. Take the extreme lowest temperature into account rather than the mean winter temperature, also add 10 or 15 K safety margin.
Determine the required pour point. In case of a site temperature of -40°C for instance, specify -55°C or -60°C pour point oil so that the oil will remain liquid.
Check the low-temperature viscosity. Consult the manufacturer of the transformer about the oil viscosity in case of -30°C since this is the information that will ensure the effectiveness of the cooling system.
Choose the oil type. If economy is the goal, use naphthenic mineral oil; synthetic ester in case of fire and environmental regulations; and silicone only on an obligation basis.
Check the compatibility of the transformer. Make sure that gaskets, pumps, and breathers are compatible with the oil and support the extreme temperature; for the -40°C site, it may be necessary to choose special gaskets designed for such low temperatures.
Make sure to obtain the certificate. It needs to cover the pour point, viscosity, BDV, water content, and flash point as per your requirements.
Application by Region and Climate
- Northern China, Mongolia, areas in northern USA (-30°C to -40°C): low pour point naphthenic oil with -40°C pour point.
Canada, Siberia, northern Scandinavia (below -40°C): oils with -55°C to -60°C pour points utilized, often synthetic esters for the coldest sites.
High-altitude locations (Andes, Tibet, Alps): combination of cold environment and less cooling at altitudes, requiring derate and use of cold-class oil.
Offshore and cold marine conditions: use of naphthenic and ester oils with strict moisture control.Altitudes add to cold difficulties: at 3,000 meters, air density is roughly 30 percent lower, making it less efficient naturally cooling transformers, which have to be derated or assigned a higher cooling stage before temperature starts being addressed.
Brands and Price Comparison
| Brand | Origin | Cold-Region Offerings | Prix approximatif par litre |
|---|---|---|---|
| Shell | Netherlands/UK | Diala S4 ZX-I, Diala AX (low-pour naphthenic) | $2-$4 |
| ExxonMobil | USA | Mobil 3910-60 (paraffinic, pour -60°C), Unvolt | $2.5-$4.5 |
| Nynas | Sweden | Nytro Libra, Nytex 620 (naphthenic specialists) | $2-$4 |
| Ergon | USA | Hyvolt III, cold-grade naphthenic oils | $2-$3.5 |
| MIDEL (M&I Materials) | UK | MIDEL 7131 synthetic ester (pour -56°C) | $8-$15 |
| Jiangsu Subian Electric Power (with brand-name oil) | Chine | Transformers supplied filled with specified cold-grade oil | Oil bundled; units priced competitively |
The oil industry is dominated by global companies specializing in lubricants and esters, including Shell, ExxonMobil, Nynas, Ergon, and MIDEL, whose cold products have been used all across the globe. In the case of the transformer, the oil type is usually specified in the contract, and companies such as Jiangsu Subian Electric Power provide the transformer with the cold oil specified as per the contract and indicate the oil filling on the certificate. Indeed, this is critical for cold places because the oil is not a consumable item and cannot be replaced; it is part of the thermal design of the transformer. Subian’s cold region transformers are supplied with the certificate indicating the pour point and viscosity of the oil, and the prices for the filled transformer are usually 40-60% less than the prices quoted for similar units produced by European manufacturers.
How to Choose the Right Oil
Apply the site’s worst-case surmise minimum temperature plus tolerance to choose the requirement for pouring point.
Select naphthenic oils for cold environments and avoid paraffinic products unless they have been dewaxed to meet the parameter of pouring point.
Indicate the limit of viscosity at low temperatures to ensure that the cooling system is operational.
Find the oil family compliant with the fire and environmental codes, not only with the thermometer.
Check whether the gasket and pump materials are appropriate for the extreme temperature conditions.
Demand from the certificate showing the pouring point, viscosity, BDV, water content and flash point.
Handling, Storage, and Cold Start-Up
Cold-region oil handling has a particular discipline of its own. Drums, tanks and heat-transferring pipes need to be located above oil’s pouring point so that oil remains pumpable; many sites resort to heated storage and transferring lines. Before filling, oil has to be vacuum-degassed and dried up to below 30 ppm water content due to the fact that cold air contains very little moisture while the warm oil coming from storage would condense it. Usually, one would install filters with 1-5 microns and a vacuum dryer while filling transformers with oil in cold regions.
When starting the equipment in cold conditions, it is very important to follow the sequence – switch on the transformer and let the oil circulate for 10-30 minutes before putting significant load in order to avoid formation of hot spots in stagnant cold oil. Some operators would keep pumps in operation during the coldest nights instead of setting the control system on the temperature of oil being pumped. The rules of operation should be included in the maintenance manual of the site not just in its specifications.
Questions Fréquemment Posées
Which transformer oil is appropriate for cold locations?
For use in applications in the cold regions, using low-pour-point naphthenic mineral oil approved by IEC 60296 is the best deal: the oil remains liquid at temperatures from -40°C to -60°C and costs approximately $2.5-$4 per liter. Synthetic esters, priced at about $8-$15 per liter, provide both improved fire safety and biodegradability, but at the same levels of performance in the cold. Standard oil, with a pour point of -30°C, is not sufficient for sites experiencing temperatures below approximately -25°C.
What is meant by pour point of transformer oil?
Pour point is defined as the temperature at which the oil is still flowing. At this temperature, circulating stops, and, consequently, the transformer does not cool, resulting in overheating of the winding regardless of freezing weather. Standard oil of the transformer has a pour point of -30°C; oil for cold regions is rated at -40°C, -45°C, or -60°C depending on the site.
Is naphthenic or paraffinic transformer oil better for winter?
Definitely naphthenic. Paraffinic oils contain paraffin that crystallizes at cold temperatures, increasing viscosity to the point of preventing oil from flowing at all, which means that transformer cannot be cooled at these temperatures. Naphthenic oil is naturally low pour-point and flows well in the cold, which is why oil specifications for cold regions almost always require naphthenic grade oil.
How much does transformer oil for cold regions cost?
Standard mineral oil is priced at $1.5-$2.5 per liter, low-pour-point naphthenic oil costs $2.5-$4 per liter, synthetic esters cost $6-$15 per liter, and silicone oil costs $15-$30 per liter. The oil price difference is around $10,000–$20,000 for a 10,000-liter transformer, which is not large compared to the winter failure cost.
Can I use standard transformer oil if I just derate the transformer?
Derating helps with heat, not with cold fluidity. If the oil’s pour point is above the site minimum, the oil will stop flowing regardless of how little load the transformer carries. The specification must be driven by the site temperature, and the transformer and oil selected as one thermal system. Cold-grade oil is not optional for genuinely cold sites.
References
- IEC 60296 — Fluids for Electrotechnical Applications, Unused Mineral Insulating Oils — The master standard for mineral transformer oil grades and pour points.
- IEC 61099 — Synthetic Organic Esters for Electrical Purposes — The standard for synthetic ester insulating oils.
- ASTM D3487 — Standard Specification for Mineral Insulating Oil Used in Electrical Apparatus — North American mineral oil specification.
- IEC 60156 — Insulating Liquids, Determination of the Breakdown Voltage — The dielectric test method for BDV.
- IEEE C57.106 — Guide for Acceptance and Maintenance of Insulating Mineral Oil — Oil acceptance criteria and moisture limits.
- Nynas — Transformer Oil Solutions — Specialist naphthenic oil grades and application guidance.
- M&I Materials — MIDEL Ester Fluids — Synthetic ester products with published low-temperature data.
Conclusion
This means that while buying transformer oil for cold conditions is not only about the lubricant itself, it has to do with thermal design. The pour point, low temperature viscosity and water content determine if the cooling system will work through the coldest night, while the type of oil defines the fire and environmental risk. With the correct information on paper the transformer will serve for years; otherwise one will pay dearly in the winter.
- Specify pour point from the site’s extreme minimum plus margin, not from a catalog default.
- Choose naphthenic oil for cold regions; use esters only where fire or environment demands it.
- Verify low-temperature viscosity against the manufacturer’s circulation limit.
- Buy the oil and the transformer as one system, and put the certificate in the contract.
For oil-immersed transformers filled with the correct cold-grade oil and certified to IEC 60296, contact Jiangsu Subian Electric Power at www.subian-electric.com — specify your site’s minimum temperature and the pour point requirement, and they will quote the filled unit with the certificate included.