Pourquoi les transformateurs haute tension ont-ils besoin d'huile?

Quelqu'un m'a dit que les transformateurs haute tension ont besoin d'huile car cela empêche les arcs. Cependant, en termes de claquage diélectrique, l'air n'est-il pas le plus fort?

Je me souviens des cours au collège que lorsque la constante diélectrique augmente, la tension de claquage diminue. Est-ce correct?

3 raisons: rupture de tension beaucoup plus élevée, conductivité thermique et contaminants beaucoup plus faibles, y compris l'humidité de la condensation qui conduit à une décharge partielle, ce qui est moins cher à surveiller et à réparer dans l'huile que les types à époxy sec.

• J'ai ajouté la troisième raison qui est plus complexe car il est plus facile d'éliminer les particules étrangères dans l'huile et la viscosité réduit l'énergie cinétique des particules accélératrices dans un champ E frappant un conducteur avec suffisamment d'énergie pour libérer de l'hydrogène, un gaz combustible de la molécule d'eau.

• Les transformateurs secs existent <5MVA occupent une plus petite empreinte, plus silencieux, plus sûr, préféré pour certaines zones urbaines, mais moins efficace, coûtent plus cher et s'appuient sur une isolation plus chère avec du ruban Mica et des polymères époxy pour résister à l'humidité. Les transformateurs secs doivent combattre la tendance à absorber les molécules d'humidité, qui détériore rapidement la tension de claquage.

L'huile de qualité transformateur est au moins 8x et jusqu'à 25x meilleure que l'air pour la rupture diélectrique et au moins 6x meilleure conductivité thermique en [W / mK].

L'huile est principalement utilisée> 5 MVA en raison d'une meilleure efficacité électrique et de refroidissement. L'huile est nécessaire pour le refroidissement, la propagation thermique des points chauds et pour l'isolation électrique.

La décharge partielle (PD) concerne le flux d'ions dans le plasma, comme une aurore ou une couronne. Il a besoin de certains contaminants pour entrer en collision et provoquer une décharge.

D'après mes expériences sur l'huile de transformateur Nydas dans une usine de transformateurs à dépasser 25kV / mm. Avec des résultats typiques variant de 25 à 40 kV.

Avec un traitement plus coûteux pour éliminer les contaminants de niveau ppm, il peut atteindre 70 kV / mm. Ceux qui peuvent se permettre la machine de 50 000 $ et plus, les utilisent, mais une certaine compétence dans le traitement de la contamination invisible et le contrôle de la qualité des processus dans un environnement de salle blanche sont nécessaires.

Le test est effectué avec une rampe d'environ 1 kV / s avec de grandes électrodes plates en laiton ultraclean (~ 2 cm) dans un bécher en verre propre avec des bords lisses effilés.

Comme l'air, ce sont les contaminants mobiles et les changements de pression qui peuvent conduire à une décharge partielle qui entraîne une variabilité de la tension de claquage BDV d'un isolant.

Pour l'huile de transformateur, la décharge partielle décompose également la grande chaîne d'hydrocarbures en H2 qui a un seuil explosif inférieur de 4% de concentration.

La ventilation de l'air propre est de 3 kV / mm tandis que l'air humide sale est <500 V / mm plat à plat, tandis que le point à point représente environ 1/3 de ces seuils de tension.

Un vide ultra-bas donne un BDV élevé mais un vide partiel très faible car la réduction des molécules permet moins de traînée et une énergie cinétique plus élevée lorsqu'un ion dans l'air frappe le conducteur. (Voir loi Paschen.)

L'huile du transformateur empêche non seulement la formation d'arcs, mais elle empêche également le transformateur de surchauffer à sa température de fonctionnement.

Alors, l'air n'est-il pas le meilleur contre les coupures de tension?

Eh bien, la réponse est non. Selon mes expériences, cela me montre que oui, l'air a une rupture de tension dans l'intervalle de 1 pouce à une tension de 20 000 volts. Mais l'huile de transformateur a une rupture de tension de 70 000 volts par pouce.

Si vous l'exprimez de cette façon, à mesure que la distance entre les deux conducteurs devient de plus en plus grande, la tension de claquage diélectrique nécessaire pour faire un arc sur cette distance augmente.

Alors oui, vous avez raison.

Comment gardez-vous les fils en place? L'air n'aidera pas. C'est fait avec du carton imbibé d'huile.

De plus, les gaz ont une propriété désagréable: ils ont une pression très basse, donc les atomes ionisés de manière aléatoire sont facilement déplacés par le champ électrique. Si la pression du gaz est suffisamment basse pour la tension, les ions et les électrons libres atteignent la contre-électrode avant de pouvoir se recombiner, vous avez donc un canal conducteur et la chaleur du flux de courant ionisera encore plus d'atomes. L'huile empêche cela simplement par sa viscosité.

Si vous voulez avoir une excellente isolation avec un gaz, vous avez dû utiliser un gaz difficile à ioniser avec une viscosité élevée, par exemple l'hexafluorure de soufre.

Vous avez besoin de refroidissement. Et l'air pur est difficile.

La clé de la question est de savoir où ils ont mis des transformateurs - s'ils étaient à l'intérieur, ce serait bien net, mais en réalité, ils sont situés dans des endroits sales pleins de poussière, de neige, d'humidité et de tout autre contaminant environnemental connu de l'homme. Et il doit donner une durée de vie pratiquement non entretenue au cours des décennies.

L'air n'est pas là uniquement pour isoler. Ils pourraient le faire avec du mica . Ils doivent également refroidir le transformateur pour obtenir une intensité nominale plus utile avec la même quantité de cuivre et de fer.

Ils peuvent donc utiliser l'air, mais les problèmes environnementaux rendent l'échange d'air atmosphérique impraticable. Ils auraient donc besoin de le sceller hermétiquement, d'embouteiller de l'air à l'intérieur au moment de la fabrication, bien que cela puisse bien sûr être un autre gaz comme l'azote ou l'argon.

La question suivante est l'efficacité thermique du matériau en tant que fluide caloporteur. La chaleur est le niveau d'excitation d'un atome. Les neutres et les protons ne stockent pas la chaleur, donc la masse ne stocke pas la chaleur, les atomes le font. Le pétrole est massivement plus dense en atomes que l'air, étant liquide. L'huile se dilate également lorsqu'elle est chauffée (il suffit de regarder la jauge de votre voiture), de sorte que l'huile chaude est plus légère en volume que l'huile froide, la gravité la force à augmenter, ce qui provoque une circulation de convection. Cela peut être exploité pour le faire circuler à travers les ailettes de refroidissement, donc pas besoin de pompe de refroidissement.

Recherchez les «transformateurs de type sec», qui sont aujourd'hui couramment utilisés. Il y en a un dans une énorme boîte de service extérieur près de notre immeuble. Au moins dans notre cas, le transformateur n'est pas sur un poteau électrique, il a donc moins besoin d'être extrêmement compact et de faible poids. Un xfrmr lourd avec du fer supplémentaire et des enroulements de cuivre plus épais fonctionne plus froid, donc n'a pas besoin d'huile de refroidissement et de boucles de radiateur. Et, si la petite taille n'est pas un problème majeur, les enroulements EHT peuvent être espacés loin du côté basse tension, de sorte que l'entrefer offre une prévention suffisante de la rupture de l'arc.

Notez que les explosions et les incendies de transformateurs d'huile ne sont pas inconnus pendant les orages et les lignes court-circuitées. Les transformateurs de type sec n'ont pas ces mécanismes de défaillance.

Toutes les réponses ci-dessus sont bonnes, mais ne mentionnent pas les avantages environnementaux de la dioxine présente dans l'huile de nombreux transformateurs plus anciens.