Causes de la fissuration des enroulements dans les transformateurs secs coulés en résine époxy et mécanisme d'influence du cyclage thermique

1. Facteurs déclencheurs multidimensionnels de la fissuration des enroulements

La fissuration des enroulements n'est pas le résultat d'une seule défaillance, mais plutôt l'interaction de multiples facteurs, notamment les matériaux, les procédés, la conception structurelle et l'environnement de fonctionnement.

1.1 Évolution de la structure d'isolation et inadéquation des propriétés des matériaux

1.2 Contrôle inadéquat des processus de coulée et de polymérisation

Lors de la coulée, si une coulée sous vide de haute qualité n'est pas adoptée ou si le dégazage est insuffisant, des bulles d'air sont susceptibles de rester à l'intérieur de la résine. Pendant l'étape de polymérisation, si les profils de chauffage, de maintien et de refroidissement sont mal contrôlés, la résine ne peut pas polymériser lentement et uniformément, ce qui entraîne une contrainte résiduelle interne excessive créant des défauts inhérents prédisposant le matériau à une fissuration ultérieure.

1.3 Contraintes mécaniques et impact des forces électromagnétiques

Pendant le fonctionnement, les transformateurs sont soumis à des vibrations mécaniques externes ainsi qu'à d'énormes forces électromagnétiques lors d'événements de court-circuit. Si l'enroulement de la bobine n'est pas serré ou si les méthodes de support et de fixation sont inadéquates, les forces électromagnétiques et les vibrations répétées peuvent provoquer une déformation des bobines, des dommages à la couche d'isolation, et même des fissurations.

1.4 Environnement de fonctionnement sévère

Une exposition prolongée à des températures élevées accélère le vieillissement thermique et la décomposition thermique de la résine, réduisant ainsi sa résistance mécanique. Dans les environnements chauds et humides, la pénétration d'humidité provoque l'hydrolyse des esters dans la résine, formant des micro-pores en surface. De plus, les gaz corrosifs présents dans des environnements tels que les usines chimiques (par exemple, le dioxyde de soufre, le chlore) peuvent attaquer le matériau isolant et dégrader sa structure moléculaire.

2. Mécanisme d'influence des cycles thermiques sur la couche d'isolation en résine

Parmi les facteurs déclencheurs décrits ci-dessus, les cycles thermiques (cycles de température) constituent le mécanisme physique central qui traverse tout le cycle de vie de l'équipement, agissant comme un « catalyseur » qui accélère la propagation des fissures. Les recherches indiquent que la « fatigue thermomécanique » causée par les cycles thermiques est beaucoup plus susceptible d'induire des microfissures dans la couche d'isolation qu'une exposition continue à haute température. Son impact sur la couche d'isolation en résine se reflète principalement dans les quatre aspects suivants.

2.1 Accumulation et fatigue dues à la contrainte thermique alternée

En raison de la différence de coefficient de dilatation thermique (CTE) entre la résine et le conducteur, ainsi qu'entre la résine et le renfort en fibre de verre, les cycles thermiques génèrent des contraintes alternées de traction et de cisaillement aux interfaces des matériaux. À mesure que le nombre de cycles augmente, ces contraintes affaiblissent la résistance de l'adhérence interfaciale, des microfissures s'initient et se propagent progressivement, pour finalement évoluer en fissuration traversante.

2.2 Dégradation de la microstructure du matériau

Sous l'effet des contraintes de température alternées des cycles thermiques, le réseau réticulé de la résine époxy se dégrade progressivement et le volume libre au sein du matériau augmente. Au niveau microscopique, cela se manifeste par des vides et des microfissures sur les surfaces de rupture ; au niveau macroscopique, cela se traduit par une diminution de la rigidité diélectrique en courant alternatif du matériau isolant.

2.3 Effet critique de la température de transition vitreuse (Tg)

Lorsque la température de fonctionnement approche ou dépasse la température de transition vitreuse (Tg) de la résine époxy, le coefficient de dilatation thermique augmente brusquement et le module subit une modification significative. À ce stade, le matériau passe d'un état vitreux rigide à un état hautement élastique, sa résistance à la déformation chute de façon spectaculaire, et la concentration de contraintes internes provoquée par les cycles thermiques conduit plus facilement au délaminage interfacial et à la fissuration.

2.4 Cycle vicieux déclenchant des décharges partielles (DP)

La fissuration causée par les cycles thermiques crée des micro-lacunes d'air à l'intérieur de la couche d'isolation. Étant donné que la constante diélectrique de la résine est bien supérieure à celle de l'air, sous tension alternative, l'intensité du champ électrique dans la lacune d'air est répartie de manière inversement proportionnelle à la constante diélectrique, ce qui entraîne une intensité de champ extrêmement élevée à l'intérieur de la lacune. Cela déclenche facilement des décharges partielles. Les particules à haute énergie générées par les DP érodent et dégradent davantage la résine époxy, formant un cycle vicieux de « fissuration → DP → érosion électrique → aggravation de la fissuration » qui conduit finalement à la rupture de l'isolation.

3. Résumé et stratégie de défense systématique

En résumé, la fissuration des enroulements dans les transformateurs secs à résine époxy moulée est essentiellement un problème de fatigue des matériaux et de défaillance structurelle causé par le couplage de plusieurs facteurs. Pour résoudre fondamentalement ce problème, une stratégie de défense systématique doit être établie tant dans les phases de fabrication que d'exploitation.

Ce n'est qu'en combinant l'amélioration des propriétés intrinsèques des matériaux avec la gestion de l'exploitation et de la maintenance sur le cycle de vie que les effets érosifs des cycles thermiques peuvent être efficacement contrés, garantissant ainsi le fonctionnement sûr et stable à long terme des transformateurs secs.