Comprendre la pression, la résistance et les thermomètres à fibre optique

Le fonctionnement fiable d'un Transformateur immergé dans l'huile Le bon fonctionnement d'un transformateur dépend largement de la stabilité de son huile isolante interne et de la température de ses enroulements. La surchauffe est une cause majeure du vieillissement accéléré de l'isolation, de la dégradation des performances et, en fin de compte, des pannes. Par conséquent, la surveillance de la température est un aspect fondamental et critique de l'exploitation et de la maintenance d'un transformateur. Des traditionnels cadrans mécaniques aux systèmes modernes à fibres optiques intelligents, l'évolution des thermomètres illustre le passage d'une surveillance passive à un système d'alerte précoce actif.

 

Cet article présentera de manière systématique les types courants de thermomètres utilisés sur les transformateurs immergés dans l'huile et fournira une analyse approfondie de leurs principes de fonctionnement et de leurs scénarios d'application.

 

Chapitre 1 : L’« arbre généalogique » des thermomètres – Un aperçu détaillé de trois types principaux

En fonction de leurs principes de mesure et de leur emplacement d'installation, les thermomètres pour transformateurs immergés dans l'huile se répartissent principalement en trois catégories. Ensemble, ils forment un réseau de surveillance tridimensionnel, de la température de l'huile en surface jusqu'aux points chauds des enroulements.

 

1. Thermomètre à pression (thermomètre à lecture à distance)

Principe de fonctionnement : Il s’agit d’un instrument mécanique classique basé sur la dilatation/contraction thermique et la transmission de pression liquide/gaz. Le système se compose de trois parties :

 

Sonde de température (capteur) : Insérée dans l'huile en haut du réservoir du transformateur, remplie d'un milieu thermosensible (par exemple, liquide, gaz ou liquide à bas point d'ébullition).

 

Tube capillaire : Un long tube métallique fin reliant le bulbe à la tête du manomètre, rempli d’un fluide transmettant la pression.

 

Tête de jauge (indicateur) : Montée sur la paroi de la cuve du transformateur ou sur l’armoire électrique, à plusieurs mètres de l’ampoule. Son cœur est un tube de Bourdon, un tube métallique courbé et élastique. Lorsque l’ampoule chauffe, la variation de pression interne est transmise par le capillaire au tube de Bourdon, provoquant sa déformation. Cette déformation actionne une aiguille grâce à un mécanisme de tringlerie, indiquant ainsi la température.

 

Caractéristiques principales :

 

Purement mécanique, ne nécessite aucune alimentation externe, excellente immunité aux interférences électromagnétiques, très haute fiabilité.

 

La tête de jauge peut être montée à distance pour une lecture locale aisée.

 

Généralement équipé de 1 à 2 contacts réglables pour les fonctions d'alarme de surchauffe et de déclenchement.

 

La précision et la vitesse de réponse sont relativement plus lentes que pour les modèles électroniques, et le tube capillaire est sensible aux dommages mécaniques.

 

Application typique : Dispositif principal de surveillance et d’alarme de la température de l’huile supérieure, une caractéristique quasi standard sur tous les transformateurs immergés dans l’huile.

 

2. Détecteur de température à résistance (RTD, par exemple PT100)

Principe de fonctionnement : Ce dispositif repose sur la propriété selon laquelle la résistance d'un conducteur varie en fonction de la température. L'élément de détection le plus courant est un thermomètre à résistance de platine, PT100 désignant une résistance de 100 ohms à 0 °C. Sa résistance varie de façon précise et linéaire avec la température.

 

Composants du système :

 

Sonde RTD en platine : installée dans un logement pour thermomètre en haut du transformateur, immergée dans l’huile.

 

Pont de mesure et transmetteur : souvent intégré à une unité de contrôle intelligente. Un circuit de précision mesure la résistance de la sonde PT100 et la convertit en un signal de courant standard de 4 à 20 mA ou en un signal numérique.

 

Caractéristiques principales :

 

Haute précision de mesure, transmission des signaux sur de longues distances, bonne immunité au bruit.

 

Le signal de sortie est un signal électrique standard, facilement intégrable aux plateformes d'automatisation telles que SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) et DCS (Distributed Control Systems) pour une surveillance centralisée à distance.

 

Souvent installé en parallèle du thermomètre à pression, il sert de moyen redondant ou de plus grande précision pour la surveillance et l'enregistrement à distance de la température de l'huile.

 

Application typique : Utilisé pour la transmission à distance et la surveillance numérique de la température de l’huile de surface, pierre angulaire des sous-stations modernes automatisées et sans surveillance.

 

3. Système de mesure de la température des enroulements de fibres optiques (mesure directe des points chauds la plus avancée)

Principe de fonctionnement : Il s’agit actuellement de la technologie la plus directe et la plus avancée pour la surveillance de la température des enroulements. Elle repose sur la physique des réseaux de Bragg sur fibre optique.

 

Capteur à réseau de Bragg sur fibre (FBG) : une variation périodique de l’indice de réfraction (un réseau) est inscrite dans un segment de fibre optique spéciale à l’aide d’un laser. Sa propriété principale : la lumière d’une longueur d’onde spécifique (longueur d’onde de Bragg) est réfléchie, et cette longueur d’onde réfléchie varie linéairement avec les variations de température (ou de contrainte) au niveau du réseau.

 

Procédé de mesure : Lors de la fabrication du transformateur, un câble à fibre optique flexible intégrant plusieurs capteurs FBG est directement pré-intégré entre les couches isolantes des enroulements haute tension, aux points les plus chauds prévus. Le système émet une lumière à large bande et, en analysant la longueur d’onde spécifique réfléchie par chaque réseau, il permet d’obtenir avec précision et en temps réel la température absolue en différents points de l’enroulement.

 

Caractéristiques principales :

 

Mesure directe de la température des points chauds de l'enroulement, et non estimation indirecte. Les données sont donc des plus authentiques et fiables.

 

Sécurité intrinsèque : la fibre optique est composée de silice, isolante, résistante aux hautes tensions et insensible aux interférences électromagnétiques, fonctionnant de manière stable dans des champs électromagnétiques puissants.

 

Mesure distribuée : une seule fibre peut accueillir des dizaines de points de détection, permettant ainsi une cartographie thermique complète de l’enroulement.

 

Élément clé pour l'évaluation de la « puissance dynamique » et de la durée de vie des transformateurs.

 

Application typique : transformateurs de grande taille et critiques (par exemple, transformateurs THT, transformateurs de conversion), sous-stations intelligentes nécessitant une gestion de la capacité de charge.

 

Chapitre 2 : Clarification des concepts clés – Température de l’huile supérieure vs. température de l’enroulement

Il s'agit d'un concept crucial et du point de départ pour le choix du type de thermomètre.

 

Température de l'huile en surface : Elle mesure la température de l'huile à la surface de la cuve. Elle reflète la charge thermique globale du transformateur, mais présente un décalage thermique. En cas de variation de charge, la température des enroulements évolue plus rapidement que celle de l'huile. Ce phénomène est mesuré par des thermomètres à pression ou à sonde RTD.

 

Température du point chaud de l'enroulement : Il s'agit du point le plus chaud du transformateur, généralement situé dans la partie supérieure de l'enroulement basse tension. C'est le paramètre le plus critique pour déterminer la vitesse de vieillissement de l'isolation et la capacité de charge. Les méthodes traditionnelles ne permettent pas de la mesurer directement et s'appuient sur un indicateur de température d'enroulement (WTI) qui la simule ou l'estime à partir de la température de l'huile de surface et d'une correction de courant. Seule la mesure par fibre optique permet une mesure directe et précise.