Huile pour transformateur : composition, propriétés et vieillissement

Huile pour transformateur
L'huile pour transformateur est une « huile isolante pour transformateurs et
appareillages électriques semblables pour lesquels une stabilité à l'oxydation
normale est requise1,2. » Elle sert également à imprégner l'isolation papier de ces
composants3,4. Il s'agissait traditionnellement d'huile minérale hautement raffinée5.
Les huiles minérales correctement recyclées ou régénérées sont maintenant
acceptées par les dernières normes internationales6.
L'huile est un bon conducteur thermique, et sa circulation au travers de radiateurs
permet d'évacuer la chaleur produite par les bobines et le circuit magnétique du
transformateur7. Elle permet aussi l'isolation diélectrique des enroulements entre
eux3. De ce fait, elle doit posséder un haut niveau d'isolation diélectrique et un point
d'éclair élevé pour permettre une exploitation en toute sécurité4.
Les huiles minérales pour transformateurs ont naturellement un point éclair
relativement bas. Pour cette raison, elles ont été partiellement remplacées par
les PCB entre les années 1930 et 1970. Toutefois, à cause de la pollution qu'ils
peuvent engendrer, les PCB ont été interdits.
D’autres types d’huiles isolantes pour transformateurs à haut point de feu ont été
développées, comme les huiles de silicone, les esters synthétiques et les huiles
végétales4. Ces nouveaux fluides permettent d’éviter les feux de transformateurs
électriques 8.
Les esters synthétiques et les huiles végétales sont de surcroit biodégradables. Ces
produits sont utilisés pour réduire les risques d’incendie des transformateurs et
également pour leur biodégradabilité et leur meilleur bilan environnemental.
Historiquement employés dans les transformateurs de distribution et de traction4,9, ils
se développent aujourd’hui dans tous les types de transformateurs, y compris les
transformateurs de puissance 10et les traversées 11.
L'huile perd de ses propriétés diélectriques avec le vieillissement, qui est avant tout
causé par l'oxydation et l'hydrolyse, deux phénomènes qui s'accélèrent avec la
température12,13.
Huile minérale
Composition
Généralités
Les huiles minérales pour transformateur sont principalement composées de quatre
familles d'hydrocarbures : les paraffines, les naphtènes, les aromatiques et
les alcènes5. La paraffine a le défaut de geler rapidement et d'empêcher l'exploitation
des transformateurs par grands froids. Si le taux de paraffine est en dessous de
50 %, on parle d'« huile naphténique », s'il se trouve entre 50 et 56 % d'« huile
intermédiaire », au-delà d'« huile paraffinique »14.
Les aromatiques ont un effet sur le vieillissement de l'huile à double tranchant : à
cause de l'effet qu'ils ont sur l'oxygène en présence de lumière ils dégradent l'huile12,
d'un autre côté leur production de phénols permet de détruire les radicaux
libres sources de vieillissement14. Ils stockent le dihydrogène émis par les décharges

partielles. Ils sont donc peu présents dans les huiles utilisées dans les
transformateurs très sujets au vieillissement, ils sont par contre laissés dans les
condensateurs et les traversées isolées. Les alcènes accélèrent également la
dégradation de l'huile et sont donc éliminés5. Par ailleurs le soufre qui peut être
présent dans l'huile doit être enlevé. Il est en effet fortement corrosif15. Les furanes, à
savoir le 2-Furfural, doivent également être absents16. Pour limiter le vieillissement
des additifs antioxydants sont ajoutés à l'huile, on parle alors d'huile inhibée, dans le
cas contraire d'huile non inhibée17,18. Ces additifs disparaissent avec le temps, il
convient donc de les renouveler5.
Humidité
Une huile minérale pour transformateur se doit d'être particulièrement sèche. La
présence d'eau fait décroître de manière drastique la rigidité diélectrique de l'huile
minérale19. Le cas échéant une pompe avec mécanisme de filtration peut être
équipée sur l'appareil pour réduire cette valeur.
Impureté
L'isolation papier du transformateur se décompose avec le temps dans l'huile. Ces
fibres font décroître la rigidité diélectrique de l'huile19.
Huile à base de gaz liquéfié
En 2013, Shell annonce être capable de produire de l'huile
synthétique isoparaffinique depuis l'usine de Pearl GTL. L'huile ainsi produite
contient très peu de soufre et d'aromatique. Shell revendique que cette huile se
dégrade moins vite avec le temps qu'une huile raffinée tout en conservant les mêmes
propriétés de conductivité thermique et de fluidité20,21.
Propriétés
Viscosité
Allure de la viscosité cinématique des différents types d'huiles pour transformateur22,23,24,25,26.
La viscosité influe sur le transfert de chaleur, et par conséquent la montée en
température de l'appareil27.
La viscosité est aussi importante pour le démarrage à froid des transformateurs. Pour
une huile minérale, la viscosité ne doit pas être supérieure à 1 800 mm2/s à -40°C27 .

En plus de la viscosité, d'autres paramètres influencent la « température minimale de
démarrage en puissance » d'un transformateur (LCSET- Lowest Cold Start
Energizing Temperature), tels que le point d'écoulement du fluide et la rigidité
diélectrique du fluide à basse température (en effet, la présence d'eau libre dans le
transformateur entraîne un risque important de défaut électrique).
La faible viscosité de l'huile minérale est un avantage pour la dissipation de la
chaleur par rapport aux huiles de silicone ou à base d'esters28.
Rigidité diélectrique
La rigidité diélectrique doit atteindre des valeurs de 70 kV/2,5 mm29,30. Cette valeur de
280 kV/cm est à mettre en relation avec les 24,4 kV/cm de l'air sous condition
normale31. La « tension de claquage » est une mesure de sa capacité à résister à
une tension électrique dans un appareil32.
Acidité et stabilité à l'oxydation
Si l'huile pour transformateur n'est pas stable à l'oxydation (action de l'oxygène sur
l'huile), des boues et de l'acidité se forme33. Les décharges partielles et de forts
champs électriques amplifient le phénomène12.
Point d'éclair
Le point d'éclair de l'huile pour transformateur doit être élevé, supérieur
à 135 °C pour des raisons de sécurité34,35. Un dépassement de cette température
peut conduire à des incendies voire à des explosions qui peuvent endommager
gravement les installations environnantes36.
Vieillissement
Le vieillissement de l'huile minérale est principalement dû à son oxydation elle-même
causée par la présence d'oxygène et d'humidité dans l'huile. La réaction est
également très dépendante de la température à partir de 60 °C sa vitesse double
toutes les augmentations de 8 à 10 °C37.
Les effets de l'oxydation, sont une augmentation du facteur de perte électrique (
), de la viscosité, de l'acidité, de la corrosivité et de la teneur en eau de l'huile38. Sur
le plan visuel, l'huile oxydée est plus trouble que l'huile neuve.
Le second facteur de vieillissement est l'augmentation de la teneur en eau qui
dégrade les propriétés diélectriques de l'huile minérale. La solubilité de cette dernière
augmente avec la température39. Les décharges partielles sont une dernière cause
de vieillissement par les gaz qu'elles dégagent dans l'huile qui détériorent ses
propriétés diélectriques40.
Pour lutter contre le vieillissement, des pompes munies de systèmes d'assèchement
et de dégazage de l'huile ainsi que d'un filtre peuvent être utilisées.
Coût
Le prix de l’huile minérale dépend du prix du pétrole. Historiquement, elle est moins
chère que ses alternatives, ce qui fait qu’elle est encore beaucoup utilisée, malgré
ses inconvénients: produit dangereux en cas d’aspiration, polluant, non
biodégradable et plus facilement inflammable que ses alternatives41.
Désignation

Pour référencer les huiles minérales, on utilise un code. La première lettre désigne
l'inhibition de l'huile, le U sert pour les huiles non inhibées, le T pour celles faiblement
inhibées et le I pour celles inhibées42. La « température minimale de démarrage en
puissance » suit.
Pollution
Allure de la biodégradation des différents types d'huiles43,44.
Les transformateurs contiennent jusqu'à plus de cent tonnes d'huile. Les huiles
minérales ne sont pas biodégradables, des fuites peuvent donc entraîner des dégâts
sur l'environnement en général et la nappe phréatique en particulier45.
Tests de qualité
Tension de claquage
La mesure de la tension de claquage de l'huile consiste à placer dans l'huile à tester
deux électrodes de bronze ou d'acier de forme demi-elliptiques (diamètre 36 mm de
largeur et 26 mm sur la profondeur) normalisées à une distance de 2,5 mm l'une de
l'autre. Elles doivent être propres et ne pas comporter de cratères dus à de
précédentes mesures46. La tension est ensuite augmentée à vitesse constante de
2 kV/s jusqu'à l'apparition d'une décharge électrique. La tension atteinte est la
tension de claquage. À cause du caractère aléatoire du phénomène provoquant la
décharge électrique, la mesure doit être reproduite plusieurs fois (6 dans la norme),
en respectant des pauses entre chaque mesure afin de permettre la dissipation des
gaz formés lors de la décharge47. La dispersion est due aux impuretés, dont la
présence ne peut être contrôlée. Cet aspect statistique amène à utiliser les
transformateurs à des contraintes électriques toujours très inférieures à la rigidité
moyenne pour avoir un coefficient de sécurité élevé48.
L'étude des phénomènes liés à la tension de claquage de l'huile est assez complexe,
de nombreux paramètres entrant en jeu49. De plus la grande incertitude statistique
rend toute conclusion définitive toujours sujette à caution.
Mesure de l'humidité

Matériel pour réaliser une titration Karl Fischer.
Article détaillé : Méthode de Karl Fischer.
Pour mesurer l'humidité présente dans l'huile, on utilise habituellement le procédé de
titration Karl Fisher12.
Mesure de l'acidité
Pour mesurer l'oxydation de l'huile, on mesure son pH. Pour cela la méthode
traditionnelle consiste à mesurer la quantité de potasse alcoolique (KOHalc) à ajouter
dans l'huile pour la neutraliser. Une méthode plus récente, basée sur un titrage
potentiométrique est également utilisée50.
Mesure du soufre potentiellement corrosif
La présence de molécules soufrées dans les huiles isolantes minérales peut
entraîner la corrosion des matériaux métalliques, allant dans certains cas jusqu'à la
défaillance du transformateur. Pour éviter ce phénomène, les dernières versions de
la norme CEI 60296 comprennent des mesures du soufre potentiellement corrosif
contenu dans les huiles minérales (méthode ASTM D 1275 B ou méthode IEC
62535) et des mesures de certaines molécules soufrées particulièrement agressives
pour les métaux (mesure de la teneur en disulfure de dibenzyle DBDS par la
méthode CEI 62697-1)
Ce phénomène de soufre corrosif ne se produit pas avec les huiles à base de gaz
liquéfié, ni avec les huiles de silicone, les esters synthétiques ou les huiles végétales.
Autres
 On peut mesurer le facteur de perte électrique ( ) grâce à un montage en
pont51.
 À noter que l'analyse des gaz dissous ne renseigne pas sur l'état de l'huile mais
plutôt de celui du transformateur12.
Toxicité
Au sein de l'Union Européenne, la réglementation REACH s'applique afin de protéger
la santé des citoyens et l'environnement. Les huiles minérales isolantes sont des
hydrocarbures de faible viscosité cinématique (inférieure à 12 centistokes à 40 °C).
Elles sont considérées par la réglementation (CE) 1907/2006 REACH comme
dangereuses pour la santé en cas d'aspiration52.
Elles doivent donc être signalées par le pictogramme de danger: SGH 08 danger
pour la santé53