Isolation et diélectrique
L’essai de facteur de puissance et de facteur de dissipation applique une tension alternative à l’isolant et mesure la part du courant perdue en chaleur. Une hausse de cette perte révèle l’humidité, la contamination ou le vieillissement des transformateurs, traversées, disjoncteurs, réactances et enroulements de machines, souvent avant qu’un essai de résistance ne montre quoi que ce soit.
L’essai de facteur de puissance et de facteur de dissipation de l’isolant applique une tension alternative à un système isolant et mesure quelle part du courant obtenu est en phase avec cette tension, c’est-à-dire la part qui se transforme en chaleur. Un isolant parfait se comporte comme un condensateur pur et ne dissipe presque rien. Un isolant réel dissipe une petite quantité, et le rapport entre cette perte et le courant réactif de charge est le facteur de dissipation, aussi appelé tangente delta. Le facteur de puissance est le rapport voisin entre la perte et le courant apparent total, et pour les petites valeurs d’un isolant sain, les deux sont presque identiques. L’essai se fait avec un analyseur d’isolation ou un pont dédié, habituellement à la fréquence du réseau ou à une fréquence sélectionnable, et il s’applique aux transformateurs immergés dans le liquide et de type sec, aux réactances et aux régulateurs de tension, aux disjoncteurs et aux interrupteurs, aux transformateurs de mesure, aux traversées, aux enroulements des machines tournantes, aux conduits de barres et aux structures de barres extérieures, de même qu’aux échantillons de liquide isolant. Contrairement à une lecture de résistance en tension continue, il mesure la perte diélectrique de tout le système isolant et réagit à l’humidité, à la contamination et au vieillissement répartis dans le matériau, ce qui en fait l’un des essais de terrain les plus instructifs pour les appareils de grande valeur.
L’isolant cède rarement sans avertissement. L’humidité qui pénètre dans un transformateur, l’huile oxydée ou contaminée par des particules conductrices, une traversée dont les couches condensatrices sont endommagées, un enroulement dont le vernis a vieilli ou un isolateur sujet au cheminement superficiel font tous monter la perte diélectrique bien avant le claquage. Mesurer cette perte permet de déceler ces conditions alors qu’il est encore possible de planifier un arrêt et une réparation, plutôt que de subir un arrêt forcé à la suite d’un défaut. Le résultat protège aussi l’investissement de deux façons. À la mise en service, il confirme que le transport, l’entreposage et l’installation n’ont pas nui à l’isolant et il établit une base de référence à laquelle l’appareil sera comparé pendant toute sa vie utile. En exploitation, une série de résultats sur la même unité montre un problème naissant sous la forme d’une lente dérive, même si chaque lecture prise isolément semble plausible. Comme il détecte les défauts répartis ou de volume qu’une simple lecture de résistance peut laisser passer, plusieurs normes l’inscrivent comme essai facultatif ou complémentaire sur les appareils importants et le recommandent là où le coût d’une défaillance est élevé.
L’isolant peut se modéliser comme un condensateur avec une résistance en parallèle. Lorsqu’on applique une tension alternative, le condensateur tire un courant de charge qui devance la tension d’un quart de cycle, et la voie résistive tire un petit courant de perte en phase avec elle. L’angle de perte est le faible écart dont le courant total s’éloigne d’une avance parfaite d’un quart de cycle. Sa tangente est le facteur de dissipation, et le cosinus de l’angle de phase entre la tension et le courant total est le facteur de puissance. L’instrument mesure les watts perdus et les voltampères fournis et, dans la même passe, lit la capacité, de sorte qu’un changement de géométrie ou une couche en court-circuit devient aussi visible. Tout ce qui ajoute de la conduction ou une perte de polarisation à l’isolant, comme l’eau dissoute, la contamination ionique, le carbone ou les décharges partielles, augmente le courant de perte sans presque modifier le courant de charge, et le rapport grimpe. La perte croît fortement avec la température, c’est pourquoi chaque lecture est associée à une température mesurée et ramenée à une référence. Elle dépend aussi de la tension et de la fréquence d’essai, et la fuite superficielle d’une traversée sale ou humide s’ajoute à la perte; on nettoie donc les surfaces et on emploie le circuit de garde de l’instrument pour séparer une voie isolante d’une autre.
L’équipement est mis hors tension, isolé de toute source, vérifié absent de tension et mis à la terre selon les procédures de cadenassage et de permis du propriétaire. Les barres, les câbles, les parafoudres et les autres appareils raccordés sont retirés des bornes, et les surfaces des traversées et des isolateurs sont nettoyées et séchées. Sur un transformateur ou une réactance, chaque enroulement est court-circuité à ses bornes pour se comporter comme une seule électrode. On raccorde ensuite l’analyseur de façon à mesurer chaque voie isolante séparément : d’un enroulement à l’autre et de chaque enroulement à la terre. Le mode à spécimen non mis à la terre fait passer le courant de la voie à l’essai par le circuit de mesure et détourne les autres vers la garde, tandis que le mode à spécimen mis à la terre mesure tout vers la terre; on emploie le mode que l’équipement et la procédure exigent. Les traversées sont mises à l’essai à leur prise de facteur de puissance ou de capacité lorsqu’elle existe, et par la méthode du collier chaud lorsqu’elle n’existe pas. Les disjoncteurs sont mis à l’essai contacts fermés, puis de nouveau à travers les pôles ouverts, et l’on ajoute l’indice de perte de la cuve sur les disjoncteurs à huile. La tension d’essai est appliquée dans les limites de l’équipement et de l’instrument, jamais au-delà de ce que le fabricant permet. Dans un poste ou près d’équipement sous tension, l’interférence électrostatique peut fausser la lecture; on recourt alors à la suppression d’interférence de l’instrument, à l’inversion de la tension d’essai ou à un changement de fréquence. La température de l’huile supérieure ou de l’enroulement, la température ambiante et l’humidité sont notées, et la même configuration est reprise lors des essais subséquents.
Le relevé comprend le facteur de puissance ou le facteur de dissipation mesuré sur chaque voie isolante mise à l’essai, la capacité mesurée et les watts de perte correspondants, le mode d’essai et la tension appliquée, ainsi que la température de l’isolant ou de l’huile avec la valeur ramenée à la température de référence. Il consigne aussi la météo et l’humidité relative, le montage de raccordement utilisé, l’état des traversées et des surfaces, le type de l’unité (immergée dans l’huile, sèche ou isolée au gaz), ainsi que l’identité et l’état d’étalonnage de l’instrument. Ces éléments permettent à un lecteur ultérieur de distinguer un changement réel de l’isolant d’une différence dans la façon de réaliser l’essai, et ils rendent comparables des résultats d’années différentes.
Aucune valeur isolée ne décide si un isolant est acceptable, et cette page n’en donne aucune. Les critères publiés prennent plusieurs formes, qui s’emploient ensemble. La première est la comparaison du résultat corrigé avec la valeur du fabricant ou de l’usine et avec le tableau applicable au type d’équipement ou de liquide; les recommandations applicables se trouvent dans ANSI/NETA ATS-2025 pour les essais de réception et dans ANSI/NETA MTS-2023 pour les essais d’entretien. La deuxième est la correction de chaque lecture à une température de référence, parce que la perte augmente avec la température et qu’une lecture à chaud n’est pas comparable à une lecture à froid. La troisième est la comparaison entre parties semblables, comme la même position de traversée sur les trois phases ou des unités identiques d’une même installation, où une valeur atypique désigne un problème localisé. La quatrième est la tendance par rapport aux résultats antérieurs du même équipement, où une hausse soutenue importe même si les chiffres demeurent dans les recommandations publiées. La cinquième est l’examen de la capacité en même temps que de la perte, puisqu’un changement de capacité peut indiquer des couches en court-circuit. Le mieux est de lire les résultats avec les lectures de résistance et les conditions d’essai en tête. Pour les valeurs et les tableaux, reportez-vous à votre propre exemplaire sous licence des normes citées, qui demeurent l’autorité en matière de réception.
Les essais de réception et d’entretien ont des objectifs différents. À la réception, l’essai établit la base de référence d’un équipement neuf ou réparé; on le réalise donc soigneusement, dans les meilleures conditions possibles. En entretien, la question utile est de savoir comment le résultat a changé depuis la dernière fois, de sorte que des conditions reproductibles et une méthode constante comptent avant tout. La classe d’équipement modifie les détails. Sur les transformateurs immergés dans le liquide, l’isolation des enroulements, les traversées et un échantillon de liquide sont mesurés séparément. Sur les unités de type sec et les réactances, l’isolation des enroulements est mesurée à la terre et entre enroulements. Sur les disjoncteurs et les interrupteurs, on prend des lectures contacts fermés et ouverts, et l’on ajoute l’indice de perte de la cuve sur les disjoncteurs à huile. Sur les machines tournantes, on mesure l’enroulement, souvent à des tensions échelonnées pour voir comment la perte augmente, une vérification connexe décrite dans l’essai d’augmentation du facteur de puissance. Sur les transformateurs de mesure et les condensateurs de couplage, la capacité et la perte sont lues par section de la pile. Plusieurs de ces mesures sont facultatives dans les normes, ce qui en fait une décision du propriétaire et de l’agence d’essai. Elles complètent les travaux de résistance d’isolement et d’essai de tenue diélectrique, sans les remplacer.
Les catégories d’équipement et les articles de norme qui exigent cet essai, et les formulaires de UltraDb qui le comportent.
Les deux décrivent la perte diélectrique. Le facteur de dissipation, ou tangente delta, est le courant de perte divisé par le courant de charge, alors que le facteur de puissance est le courant de perte divisé par le courant total. Pour les petites valeurs d’un isolant sain, c’est pratiquement le même nombre, et ils ne divergent que lorsque la perte devient importante.
La perte diélectrique varie fortement avec la température; un enroulement chaud et un enroulement froid d’une même unité saine donnent donc des lectures différentes. La correction à une température de référence commune, selon la méthode de la norme applicable ou les données du fabricant, permet de comparer des résultats de journées et de saisons différentes.
Oui. Une lecture de résistance est dominée par la fuite le long de la meilleure voie, alors que la mesure de perte réagit à l’humidité, au vieillissement et à la contamination répartis dans le matériau. C’est pourquoi les deux essais sont utilisés ensemble, et une perte en hausse sur une unité dont la résistance est acceptable reste un signal d’alerte.
C’est une comparaison de la perte mesurée disjoncteur ouvert et fermé, destinée à révéler les pertes dans le revêtement de la cuve, le liquide et les tiges de levage qu’une mesure unique cacherait. Son interprétation suit les recommandations du fabricant et les normes publiées pour les disjoncteurs à huile.
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