Définitions

« La corrosion des métaux par dissolution - C4 » est un problème caractérisé par la propriété corrosive de l’huile qui détermine une dissolution des métaux (du cuivre, par ex.) dans les transformateurs et dans d’autres équipements électriques dans des conditions normales de service.Ce problème qui cause une dégradation progressive des propriétés diélectriques et chimiques des matériaux et des isolants (huile et papiers) n’est pas lié à la teneur en soufre corrosif (C1, C2, C3).

Corrosion
Désintégration d’un métal en raison de réactions chimiques avec le soufre et d’autres produits chimiques dans des liquides isolants
[Traduction par Sea Marconi de la norme technique CEI 62697-1 2012, par.3.1.5 - p. 10]

 

 

Introduction

Le problème de la corrosion des métaux par dissolution - C4 a été découvert par Sea Marconi à travers l’analyse d’une grande quantité de cas réunis dans sa base de données en plus de 40 ans.Ces études nous ont permis de corréler expérimentalement les concentrations de métaux dissous (par ex., du cuivre) à certains types de liquides isolants utilisés dans différentes familles d’équipements électriques.De très fortes concentrations de cuivre dissous dans l’huile (jusqu’à 500 mg/kg) ont été observées, ainsi qu’une grande dégradation des propriétés diélectriques de l’huile isolante (facteur de dissipation diélectrique - DDF à plus de 2).On a également découvert un phénomène de dépôt significatif d’espèces organo-métalliques sur les papiers isolants qui ne dépend pas du phénomène du soufre corrosif.

 

 

Origines du problème

L’analyse des métaux dissous dans les liquides isolants a été mise en œuvre d’une manière novatrice par Sea Marconi en 1984.Cette enquête, liée à l’analyse des particules dans l’huile, que Sea Marconi a effectuée de façon systématique pour la première fois au monde en 1976, nous a permis de diagnostiquer avec précision, déjà au milieu des années 1980, des problèmes spécifiques des huiles et des transformateurs.

[ALT img :Corrosion des métaux par dissolution (C4)

En 1995, Sea Marconi a eu l’occasion d’étudier encore plus en profondeur le phénomène de dissolution des métaux.À cette occasion, Sea Marconi a été invitée par une entreprise de fabrication de transformateurs en Amérique du Sud pour mener une enquête sur les nombreux cas de pannes catastrophiques.Il s’agissait de réacteurs shunt sur un réseau de 500 kV, tous étant âgés entre 18 et 24 mois.Au cours de l’enquête analytique, Sea Marconi a analysé les facteurs responsables des pannes, mais sans arriver à déterminer avec certitude la cause des événements catastrophiques.Cependant, cette expertise a fait émerger de façon surprenante la tendance de certains types d’huiles à dissoudre le cuivre à l’intérieur de certaines familles de transformateurs.Cette étude a été communiquée au CIGRE TF 15.01.05, puis a été approfondie lors de la présentation au CIGRE à Paris en août 2000.

Le graphique ci-dessus montre un exemple d’analyse statistique avec une corrélation entre l’année de fabrication et la concentration de cuivre des huiles minérales isolantes sur les transformateurs de distribution

 

 

Cliquez ici pour accéder aux principales publications de Sea Marconi sur le sujet :

Maina, V. Tumiatti, M. Pompili and R. Bartnikas, Dielectric Loss Characteristics of Copper Contaminated Transformer Oils, IEEE Trans.On Power Delivery, Vol.25, NO.3, 2010

R. Maina, V. Tumiatti, M.C.Bruzzoniti, R.M.De Carlo, J. Lukić, D. Naumović-Vuković, Copper Dissolution and Deposition Tendency of Insulating Mineral Oils Related to Dielectric Properties of Liquid and Solid Insulation, ICDL 2011, Trondheim, June 26-30 2011

M.C.Bruzzoniti, R.M.De Carlo, C. Sarzanini, R. Maina, V. Tumiatti, Determination of copper in liquid and solid insulation for large electrical equipment by ICP-OES.Application to copper contamination assessment in power transformers, Talanta, vol. 99, 2012, 703-711

M. De Carlo, M.C.Bruzzoniti; C. Sarzanini, R. Maina; V. Tumiatti, Copper Contaminated Insulating Oils-Testing and Investigations, IEEE Trans.On Dielectrics and Electrical Chim.Dr Riccardo Maina Via Tiraboschi, 25 10149 Turin (TO) Insulation, vol. 20, No.2, 2013, 557-563

R. M. De Carlo, C. Sarzanini, M.C.Bruzzoniti; R. Maina; V. Tumiatti; Copper-in-oil Dissolution and Copper-on-Paper Deposition Behavior of Mineral Insulating Oils, IEEE Trans.On Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 21, No.2, 2014, 666-673

 

 

Cadre réglementaire

• CEI 60422:2013, Huiles minérales isolantes dans les matériels électriques - Lignes directrices pour la maintenance et la surveillance
• ASTM D 7151, Standard Test Method for Determination of Elements in Insulating Oils by Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry (ICP-AES)
• CEI 60422:2013, Huiles minérales isolantes dans les matériels électriques - Lignes directrices pour la maintenance et la surveillance
• CIGRE - Brochure 378:2009,Lignes directrices - Les sulfures de cuivre dans l’isolation des transformateurs
• CIGRE - Brochure 413:2010, Régénération et déshalogénation des huiles isolantes
• CIGRE - Brochure 625:2015, Atténuation à long terme du sulfure de cuivre et évaluation des risques

 

 

Causes

Le problème de la corrosion des métaux par dissolution - C4 est causé par l’action corrosive de l’huile sur les métaux présents dans les transformateurs (par ex., le cuivre).Cette corrosion détermine la dissolution des métaux dans l’huile dans des conditions normales de fonctionnement.

Le type et la vitesse de corrosion des métaux dépendent de la température, de la concentration en oxygène et de la formulation de l’huile en termes de composés aromatiques, de composés polynucléaires aromatiques (PNA), de composés avec hétéroatomes (par ex. : oxygène, azote), d’antioxydants additifs (par ex. :DBPC), d’additifs de passivation (par ex.,Irgamet 39, Irgamet 30).

 

 

Causes liées aux phases du cycle de vie

L’effet du champ électrique à l’intérieur du transformateur amplifie la mobilité ionique des composés organométalliques dissous dans des liquides isolants en dégradant les propriétés diélectriques du système d’isolation (huile et papiers).Ces phénomènes peuvent devenir particulièrement dangereux pour certains types de transformateurs, tels que les transformateurs redresseurs, les transformateurs de conversion (HVDC) et les transformateurs particuliers (par ex., traction électrique de trains).

La dissolution provoque le dépôt de métaux (par ex., de cuivre) sur les papiers isolants et la formation de dépôts insolubles (boues) à l’intérieur du boîtier ; ceci a pour conséquence une dégradation progressive des propriétés diélectriques et chimiques de l’huile et des papiers.

La présence de cuivre dissous agit comme catalyseur dans les procédés d’oxydation de l’huile
- en accélérant la dégradation chimique de l’huile,
- en réduisant la stabilité à l’oxydation de l’huile,
- en accélérant le vieillissement des papiers,
- et en accélérant la formation de boues.

Sur certains types d’huiles à haute teneur d’aromatiques, on a observé des concentrations de cuivre dissous dans l’huile jusqu’à 500 mg/kg (par rapport à une valeur typique < de 0,80 mg/kg) et un facteur de dissipation diélectrique DDF (tan delta) supérieur à 2 (par rapport à une valeur typique < de 0,10).

Sur les papiers, une contamination par le cuivre avec des concentrations jusqu’à 2 700 mg/kg (par rapport à une valeur typique de 50 mg/kg) a été observée.

Sea Marconi a étudié expérimentalement ces phénomènes sur les différents types de liquides isolants.Sur certains types, une corrélation entre le facteur de dissipation diélectrique (tg delta) et la concentration en cuivre dissous dans l’huile isolante a été constatée.Sur d’autres types d’huile, grâce au test de la tendance du cuivre à se déposer (copper deposition tendency test) développé par Sea Marconi, on a observé une relation entre la formulation de l’huile avec des additifs spéciaux et sa tendance à déposer des composés organo-métalliques contenant du cuivre sur les papiers.

 

 

Signes (inspection visuelle) - Symptômes (analyse)

Signes (inspection visuelle)

Les signes de ce problème ne sont visibles qu’à travers une inspection interne du transformateur, par exemple après une panne.En présence de ces problèmes, on observe des dépôts insolubles (boues) de couleur gris-brun sur le fond du boîtier, sur les papiers, les bobinages et sur les canaux de circulation d’huile et de refroidissement des bobinages.Un autre signe peut être l’augmentation progressive de la température de l’huile par rapport à l’environnement à charge égale (symptôme d’une réduction de l’échange thermique).

 

Échantillonnage représentatif

Si vous décidez d’effectuer une inspection interne du transformateur à la suite de panne ou afin d’effectuer une enquête approfondie, il est fortement recommandé de prélever des échantillons du papier isolant conformément aux protocoles et aux procédures appropriées.En particulier, il est souhaitable de collecter les papiers dans les parties haute, basse et intermédiaire des bobinages individuels, du primaire comme du secondaire, pour chacune des phases, en prélevant plusieurs échantillons de papier dans les zones de fort assombrissement ou de forte fragilisation des papiers.

Lors de l’inspection externe du transformateur, il est nécessaire de prélever des échantillons représentatifs de la matrice spécifique (huile isolante) conformément à la norme de référence et aux instructions d’emploi fournies avec le kit de prélèvement.

 

Symptômes (analyse)

Le principal symptôme du problème « C4 » est lié à la présence de :
métaux dissous dans les liquides isolants (par ex., du cuivre) (ASTM D7151)

il y a ensuite des co-facteurs pour compléter le cadre de diagnostic :

• Aspect (ISO 2049)
• Couleur (ISO 2049)
• Particules (CEI 60970)
• Facteur de dissipation diélectrique - tan delta (CEI 60247)
• Test CDT (Copper Deposition Tendency Test, test de la tendance du cuivre à se déposer) (méthode interne)
• Acidité totale TAN (CEI 62021-1 ou CEI 62021-2)
• Additifs :Passivateurs (BTA, Irgamet 39, Irgament 30) ; inhibiteurs d’oxydation (DBPC, DBP)
• Empreinte de l’huile (méthode interne)

 

[ALT img :Corrosion des métaux par dissolution (C4)]
Corrosivité de plusieurs familles de composés à différentes températures
[ALT img :Corrosion des métaux par dissolution (C4)]
Taux de conversion en soufre corrosif de 22 composés de soufre (calcul suivant le test TCS)

 

M.C.Bruzzoniti, R.M.De Carlo, C. Sarzanini, R. Maina, V. Tumiatti, Stability and Reactivity of Sulfur Compounds against Copper in Insulating Mineral Oil:Definition of a Corrosiveness Ranking, Ind.Eng.Chem.Res., 2014, DOI: dx.doi.org/10.1021/ie4032814

 

 

Diagnostic

Pour le diagnostic du problème « Corrosion des métaux par dissolution - C4 », Sea Marconi emploie son propre indicateur diagnostique, dans ce cas :

• les signes visuels sur le transformateur sont interprétés, dans ce cas en fonction des inspections après panne sur des machines jumelles ;
• au moyen de l’analyse de l’huile, nous identifions les symptômes, c’est-à-dire les indicateurs spécifiques (par ex., le cuivre dissous) ;
  par exemple, pour un transformateur neuf, qui doit être mis sous tension ou après la mise sous tension, la concentration typique de cuivre dissous dans l’huile est « non détectable », c’est-à-dire de < 0,1 mg/kg.Par contre, pour un transformateur en service, la valeur de référence doit être calculée sur une base statistique de la population de référence au 90e centile (par ex. :80 mg/kg)
• grâce à la base de données, les antécédents « familiaux » ou individuels sont étudiés à la recherche de pannes sur des machines similaires (même huile, même producteur, même typologie d’appareil, même profil opérationnel, âge semblable) ;
• les facteurs d’incertitude, la vitesse et l’évolution dans le temps (tendance) de chaque diagnostic émis sont examinés et suivis
• sur la base de l’évaluation de ces facteurs clé, le problème spécifique est classifié en termes de type et de priorité, en définissant en même temps le type et la priorité des actions correctives

 

 

Prévention

• Il est recommandé d’éviter les traitements de l’huile avec des processus qui réactivent les terres à foulon par la combustion et de toute façon
• Il est recommandé d’éviter toujours que « l’huile brûlée » contamine la masse d’huile du transformateur.

 

Traitements

Les actions recommandées par la CEI 60422, éd.4, 2013

en présence du « soufre corrosif » sont les suivantes :

• effectuer une évaluation des risques
• puis choisir en alternative
• A. réduire la corrosivité de l’huile en ajoutant un passivant du cuivre ou
  [NOTE - Après la passivation de l’huile, il est nécessaire d’effectuer un contrôle régulier de la concentration du passivant.En cas d’épuisement continu du passivant, éliminer la cause de corrosivité d’après le point ci-dessous]
• B. supprimer la source de corrosivité en changeant l’huile ou
• C. éliminer la source de corrosivité en éliminant les composés corrosifs par des traitements appropriés de l’huile.

 

 

A. Passivation

La passivation consiste dans l’ajout à l’huile d’une substance censée protéger le cuivre de l’action corrosive du DSDB à l’intérieur du transformateur.Les analyses effectuées sur les huiles contenues dans les appareils passivés ont mis en évidence une diminution du contenu du passivant déjà dans les premiers jours suivant l’ajout d’additifs.En revanche, dans d’autres cas, il a été constaté que l’action protectrice du passivant à l’égard du cuivre était inégale, permettant donc dans certaines zones la formation de sulfure de cuivre.

Le cas du réseau électrique brésilien datant d’août 2005, reporté dans la brochure CIGRÉ 378:2009, met en évidence que 50 % des réacteurs passivés ont subi des pannes, la première 33 jours après la passivation, la dernière après 590 jours.(en savoir plus)

 

 

B. Changement d’huile

Malgré le changement d’huile, 10 à 15 % de l’ancienne charge d’huile contaminée reste imprégnée dans les papiers du transformateurs qui le relâchent avec le temps (la condition d’équilibre est atteinte après environ 90 jours).L’ancienne huile contamine donc l’huile neuve et, de ce fait, il est impossible d’enlever complètement le DSDB en un seul changement d’huile.(en savoir plus)

 

 

C. Élimination des composés corrosifs, dépolarisation (en savoir plus)

[ALT img :Corrosion des métaux par dissolution (C4)]

La contre-mesure proposée et employée par Sea Marconi fait partie de cette catégorie.Il s’agit d’un processus de dépolarisation sélective du DSDB qui est effectué sur place en maintenant le transformateur en service (et sous tension), sans qu’il soit nécessaire de le vider.Cette intervention est effectuée avec des unités modulaires de décontamination (UMD) spécialement conçues par Sea Marconi.Le transformateur est connecté à l’UMD au moyen de tuyaux flexibles ; l’huile contaminée par les composés soufrés corrosifs est aspirée à partir de la partie basse du transformateur, puis se retrouve dans l’UMD qui la réchauffe, la filtre, la dégaze, la déshumidifie et la décontamine pour la pomper ensuite vers la partie haute du transformateur.Un circuit fermé est ainsi créé et, passage après passage, les composés soufrés corrosifs sont enlevés (< 10 mg/kg, exprimés en équivalent DBDS)

 

 

Avertissements

Un opérateur qualifié doit être en mesure de proposer diverses solutions pour le traitement des huiles, mettant en évidence les points forts et les points faibles de chaque intervention.Dans ce cas, il est conseillé de vérifier que l’opérateur / le fournisseur connaît en détail les dangers inhérents aux processus de traitement d’huile avec réactivation des terres à foulon par combustion.

 

 

Quand et où nous sommes intervenus avec succès

[ALT img :Corrosion des métaux par dissolution (C4)]

Soufre corrosif dans les huiles isolantes, pannes récentes et contre-mesures possibles sur le soufre corrosif issu de DBDS (C1) / soufre corrosif issu de la dissolution de métaux (C4)