Principe, structure, fonctionnement et maintenance de la protection contre les gaz des transformateurs

1. Qu'est-ce que le gaz ?

Le gaz se forme par la décomposition de la cellulose et de la matière organique sous l'action de bactéries anaérobies lors des premières phases d'accumulation du charbon par les plantes anciennes. Dans un environnement de haute température et de haute pression, le gaz continue d'être généré par des effets physiques et chimiques pendant la formation du charbon. Le gaz est incolore et inodore, mais il peut parfois dégager un arôme de pomme, dû au dégagement simultané d'hydrocarbures aromatiques et de gaz. Sa densité relative par rapport à l'air est de 0,554 et sa densité à l'état standard est de 0,716 kg/m³. Sa perméabilité est 1,6 fois supérieure à celle de l'air. Il est insoluble dans l'eau, incombustible et ne permet pas la respiration. Il peut provoquer l'asphyxie par manque d'oxygène et peut s'enflammer ou exploser.

Les principaux composants du gaz sont les alcanes, dont le méthane est le plus abondant, ainsi que de faibles quantités d'éthane, de propane et de butane. Il contient généralement aussi du sulfure d'hydrogène, du dioxyde de carbone, de l'azote et de l'humidité, ainsi que des traces de gaz rares comme l'hélium et l'argon. Dans des conditions normales, le méthane et le butane sont à l'état gazeux, tandis que le pentane et les composés supérieurs sont liquides. En cas d'incendie, ce gaz peut s'enflammer et provoquer une explosion, mettant directement en danger la sécurité des mineurs.

2. Définition de la protection contre le gaz

Dans le relais de protection contre les gaz, la partie supérieure est un flotteur étanche, la partie inférieure un déflecteur métallique, tous deux équipés de contacts à mercure étanches. Le flotteur et le déflecteur peuvent pivoter autour de leurs axes respectifs. En fonctionnement normal, le relais est rempli d'huile, le flotteur est immergé dans l'huile et, en position flottante, le contact à mercure est déconnecté ; le déflecteur s'affaisse sous son propre poids et son contact à mercure est également déconnecté. En cas de léger défaut à l'intérieur du transformateur, du gaz se forme lentement et s'accumule d'abord dans la partie supérieure du relais de protection contre les gaz, en route vers le conservateur d'huile. Ceci provoque une baisse du niveau d'huile et la descente du flotteur, fermant ainsi le contact à mercure et déclenchant le signal de temporisation. C'est ce qu'on appelle le « défaut de faible puissance ». Lorsqu'un défaut grave survient à l'intérieur du transformateur, un puissant gaz se forme, provoquant une augmentation instantanée de la pression dans le réservoir d'huile. Il en résulte un important flux d'huile qui, en heurtant le déflecteur, vainc la résistance du ressort, entraînant le déplacement de l'aimant vers le contact du ressort. Ce dernier ferme le contact à mercure, activant ainsi le circuit de déclenchement et déclenchant le disjoncteur. C'est ce qu'on appelle le « gaz lourd ». L'action du gaz lourd coupe immédiatement toute l'alimentation électrique du transformateur, évitant ainsi l'aggravation de l'accident et assurant sa protection.

Il existe différents types de relais de protection contre le gaz, notamment à flotteur, à déflecteur et à coupelle ouverte. La plupart utilisent des relais QJ-80 ; le circuit de signalisation est connecté à la coupelle ouverte et le circuit de déclenchement au déflecteur. Le déclenchement de la protection contre le gaz se produit lorsque le contact du circuit de signalisation de la coupelle supérieure du relais se ferme pour diverses raisons, et que le voyant s'allume.

La réglementation stipule : Pour les transformateurs immergés dans l'huile d'une capacité de 800 kVA et plus et pour les transformateurs immergés dans l'huile d'une capacité de 400 kVA et plus, une protection contre les gaz doit être installée.

3. Classification de la protection contre les gaz

La protection contre les gaz se divise généralement en deux catégories : gaz légers et gaz lourds.

1. Protection contre les gaz légers : En cas de surchauffe ou de décharge partielle du transformateur, la température de l'huile augmente, générant une certaine quantité de gaz qui est collectée dans le relais. Lorsqu'une certaine quantité est atteinte, le relais se déclenche et un signal est envoyé.

2. Protection contre les gaz lourds : après un court-circuit important dans le transformateur, cela aura un impact sur l’huile du transformateur, provoquant un certain flux d’huile vers le déflecteur du relais et son déclenchement.

4. Étendue de la protection contre les gaz

La protection par gaz est le principal dispositif de protection du transformateur ; elle détecte tous les défauts présents dans la cuve, notamment : les courts-circuits multiphasés dans la cuve, les courts-circuits entre spires, les courts-circuits entre l’enroulement et le noyau de fer ou l’enveloppe, les défaillances du noyau de fer, les baisses ou fuites d’huile, les mauvais contacts du changeur de prises ou les soudures défectueuses, etc. La protection par gaz est rapide, sensible et fiable, et sa conception est simple. Cependant, elle ne détecte pas les défauts du circuit externe de la cuve (comme les câbles d’alimentation) et ne peut donc pas servir de protection unique contre les défauts internes du transformateur. De plus, la protection par gaz est sensible aux perturbations externes (comme les séismes).

Le relais Buchholz du commutateur de régulation de tension en charge du transformateur a la même fonction que le relais Buchholz du transformateur principal, avec des positions d'installation et des modèles différents.

Cinquièmement, la méthode d'installation de la protection

Le relais Buchholz est installé sur la canalisation reliant le transformateur au conservateur d'huile. Lors de l'installation, il convient de prêter attention aux points suivants :

1. Fermez hermétiquement la vanne papillon du circuit de gaz. Si la vanne n'est pas correctement fermée ou en cas d'autres problèmes, il est possible de vidanger l'huile contenue dans le réservoir afin d'éviter tout débordement important pendant l'intervention.

2. Avant d'installer le nouveau relais à gaz, vérifiez la présence d'un certificat de conformité, le calibre et le débit, l'état des pièces internes et externes, et, en cas de blocage temporaire, démontez-le. Enfin, testez le bon fonctionnement du flotteur, du déflecteur, du signal et du contact de déclenchement, puis fermez la vanne de purge.

3. Le relais à gaz doit être installé horizontalement, la flèche figurant sur le couvercle supérieur pointant vers le coussin d'huile. Dans le cadre de ce projet, l'axe du relais peut être légèrement plus haut à l'extrémité du coussin d'huile, sans toutefois que son inclinaison par rapport à l'horizontale ne dépasse 4 %.

4. Ouvrez la vanne papillon pour remplir le relais à gaz d'huile, puis purgez l'air par la soupape de purge après le remplissage. Si le coussin d'huile est muni d'une capsule, veillez à respecter la méthode de remplissage et de dégonflage afin de minimiser et d'éviter toute entrée de gaz dans le coussin.

5. Lors de la réalisation du câblage de protection, il est nécessaire d'éviter les connexions incorrectes et les courts-circuits, d'éviter les opérations sous tension et, en même temps, d'empêcher la tige conductrice de tourner et la petite tête en porcelaine de fuir de l'huile.

6. Avant la mise en service, un test de vibration de l'isolation et un test de transmission doivent être effectués.

6. Éléments de test des relais à gaz

Les points de contrôle et les tests suivants doivent être effectués avant l'installation et l'utilisation du relais à gaz :

1. Éléments d'inspection générale :

La fenêtre en verre, la soupape de purge d'air, l'aiguille de commande et la borne de sortie sont totalement étanches à l'huile, et le flotteur, le godet ouvert, la fenêtre en verre, etc. sont totalement exempts de fissures.

2. Éléments de test

2.1. Test d'étanchéité : test de fuite de la pression d'huile globale (pression de 20 mPa, durée de 1 h), il ne doit y avoir aucune fuite.

2.2. Test de rigidité diélectrique des bornes : Une tension de 2 000 V à fréquence industrielle est appliquée entre les bornes de sortie pendant 1 minute. La résistance d’isolement peut également être mesurée à l’aide d’un mégohmmètre de 2 500 V. Elle doit être supérieure à 300 mΩ.

2.3. Test de volume d'action du gaz léger : lorsque 250∽300cm3 d'air sont accumulés dans la coque, le gaz léger doit agir de manière fiable.

2.4. Test de vitesse d'écoulement de l'action des gaz lourds.

7. Inspection quotidienne

Le règlement d'exploitation des transformateurs de puissance DL/T572-95 (ci-après dénommé « règlement ») stipule que lors de l'inspection quotidienne des transformateurs, la première chose à vérifier est la présence de gaz dans le relais de gaz, et que l'inspection du gaz doit porter une attention particulière aux points suivants :

1. La vanne du tuyau de raccordement du relais de gaz doit être en position ouverte.

2. Le respirateur du transformateur doit être en état de fonctionnement normal.

3. La pièce de raccordement de protection contre le gaz doit être correctement installée.

4. Le niveau d'huile du coussin d'huile doit être correct et le relais doit être plein d'huile.

5. Le couvercle étanche du relais à gaz doit être bien fixé.

6. Les bornes du relais ne doivent pas laisser s'échapper d'huile et doivent être étanches à la pluie, à la neige et à la poussière. L'alimentation et son circuit secondaire doivent être protégés contre l'eau, l'huile et le gel, et faire l'objet de contrôles d'étanchéité et d'antigel au printemps et en automne.

Huit, le fonctionnement de la protection contre le gaz

Lorsque le transformateur fonctionne normalement, le relais Buchholz fonctionne sans anomalie. Concernant l'état de fonctionnement du relais Buchholz, la réglementation prévoit les dispositions suivantes :

1. Lorsque le transformateur est en marche, la protection contre le gaz doit être connectée au signal et au déclencheur, et la protection contre le gaz du changeur de prises en charge doit être connectée au déclencheur.

2. Lorsque le transformateur effectue les opérations suivantes en cours de fonctionnement, la protection contre les gaz lourds doit être reconnectée au signal :

2.1. Lorsqu'un seul disjoncteur est utilisé pour commander deux transformateurs, lorsque l'un d'eux est transféré en mode veille, le transformateur de secours doit être reconnecté au signal.

2.2. Lors de la filtration de l'huile, du remplissage d'huile, du remplacement de la pompe à huile submersible ou du remplacement de l'adsorbant du purificateur d'huile et de l'ouverture et de la fermeture de la vanne sur le tuyau de raccordement du relais de gaz.

2.3. Lors de travaux sur la protection contre le gaz et son circuit secondaire.

2.4. À l'exception de l'échantillon d'huile et de la soupape de purge d'air dans la partie supérieure du relais Buchholz, ouvrez les soupapes de purge d'air, de vidange d'huile et d'entrée d'huile dans tous les autres endroits.

2.5 . Lorsque le niveau d'huile de la jauge de niveau d'huile monte anormalement ou que le système d'aspiration et d'aspiration présente des phénomènes anormaux, il est nécessaire d'ouvrir la vanne de purge d'air ou de vidange d'huile.

3. Pendant la période de prévision sismique, le mode de fonctionnement de la protection contre les surtensions par gaz doit être déterminé en fonction des caractéristiques spécifiques du transformateur et des performances sismiques du relais de gaz. Les transformateurs mis hors service suite à un déclenchement de la protection contre les surtensions par gaz en cas de séisme doivent être contrôlés et testés avant leur remise en service. Leur remise en service ne peut avoir lieu qu'après confirmation de l'absence d'anomalie.

9. Raisons d'agir pour la protection contre le gaz

1. Raisons de l'action des gaz légers

1.1. De l'air pénètre dans le transformateur en raison d'un filtre à huile, d'un système de ravitaillement ou de refroidissement défectueux.

1.2. Le niveau d'huile est inférieur au niveau du voyant de relais de gaz ou de la bouée de gaz en raison d'une chute de température ou d'une fuite d'huile.

1.3. Une petite quantité de gaz est produite par la défaillance du transformateur.

1.4. Le transformateur présente un court-circuit traversant. Sous l'effet du courant de défaut traversant, la vitesse d'écoulement de l'huile entre les entrefers augmente. Lorsque la différence de pression entre l'entrefer et l'extérieur de l'enroulement varie fortement, le relais à gaz risque de mal fonctionner. Le courant de défaut traversant provoque un échauffement de l'enroulement. Lorsque l'intensité du courant de défaut est élevée, la température de l'enroulement augmente rapidement, ce qui entraîne une dilatation de l'huile et, par conséquent, un dysfonctionnement du relais à gaz.

1.5, défaillance du relais à gaz ou du circuit secondaire.

Les facteurs mentionnés ci-dessus peuvent déclencher le signal de protection contre le gaz.

10. Traitement après action de protection contre les gaz

1. Après le fonctionnement du dispositif de protection contre les gaz du transformateur, celui-ci doit être soigneusement vérifié, analysé et évalué, et des mesures doivent être prises immédiatement.

A. Lorsque le signal de protection gaz est activé, inspectez immédiatement le transformateur afin d'en déterminer la cause : accumulation d'air, baisse du niveau d'huile, défaut du circuit secondaire ou défaut interne du transformateur supérieur. En cas de présence de gaz dans le relais de protection gaz, notez la quantité, observez la couleur du gaz et vérifiez son inflammabilité. Prélevez des échantillons de gaz et d'huile pour analyse chromatographique. La nature de la panne du transformateur peut être déterminée conformément à la réglementation en vigueur. L'analyse chromatographique consiste en l'analyse qualitative et quantitative de l'hydrogène, de l'oxygène, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, du méthane, de l'éthane, de l'éthylène, de l'acétylène et des autres gaz présents dans le gaz prélevé, à l'aide d'un chromatographe. Elle permet de déterminer avec précision la nature, l'évolution et la gravité de la panne.

B. Si le gaz contenu dans le relais à gaz est incolore, inodore et ininflammable, et que l'analyse chromatographique détermine qu'il s'agit d'air, le transformateur peut continuer à fonctionner et éliminer à temps le défaut d'admission d'air.

Si le gaz contenu dans le relais à gaz est inflammable et que le résultat de l'analyse chromatographique du gaz dissous dans l'huile est anormal, une évaluation complète doit être effectuée pour déterminer si le transformateur est hors service.

2. En cas de déclenchement du relais Buchholz, le transformateur ne doit pas être remis en service tant que la cause du dysfonctionnement n'a pas été identifiée et le défaut corrigé. Pour déterminer les causes, il convient de prendre en compte les facteurs suivants et de procéder à une analyse approfondie.

a. Que la respiration soit difficile ou épuisante ;

b. Si les circuits secondaires tels que la protection et le courant continu sont normaux ;

c. Si l'aspect du transformateur présente un phénomène anormal qui reflète clairement la nature du défaut ;

d. Si le gaz accumulé dans le relais à gaz est inflammable ;

e. Les résultats de l'analyse chromatographique du gaz contenu dans le relais de gaz et du gaz dissous dans l'huile ;

f. Résultats des tests électriques nécessaires ;

g. L'action des autres dispositifs de protection par relais du transformateur.

11. Mesures de sécurité relatives à la protection contre les gaz

En cas de défaillance d'un transformateur, un signal d'alerte (léger) est envoyé au personnel de maintenance pour intervenir immédiatement ; un signal d'alerte (grave) déclenche l'interrupteur du transformateur, provoquant son arrêt immédiat et compromettant ainsi la fiabilité de l'alimentation électrique. Des mesures de prévention des accidents liés à la protection contre les gaz sont proposées.

1. Remplacez la bouée inférieure du relais à gaz par un modèle à déflecteur et le contact par un modèle vertical afin d'améliorer la fiabilité de l'action des gaz lourds.

2. Afin d'éviter que le relais à gaz ne soit court-circuité en raison d'une fuite d'eau, des mesures d'étanchéité à la pluie doivent être prises sur ses bornes et les boîtes de jonction des câbles.

3. Le fil conducteur du relais à gaz doit être un fil résistant à l'huile.

4. Les fils conducteurs et les câbles du relais à gaz doivent être connectés respectivement aux bornes du boîtier de bornes des câbles.