Les décharges de l'enroulement terminal détectées grâce à la surveillance des décharges partielles

La surveillance des décharges partielles est devenue un outil essentiel pour les services publics qui gèrent des parcs de générateurs vieillissants. Cette étude de cas de BC Hydro illustre comment la surveillance continue en ligne peut détecter la détérioration des conditions d'isolation et guider des interventions de maintenance efficaces.

Le défi du vieillissement des actifs des générateurs

Les générateurs hydroélectriques sont conçus pour une longue durée de vie, fonctionnant souvent de manière fiable pendant 40, 50, voire 60 ans. Cependant, au fur et à mesure que ces machines vieillissent, les systèmes d'isolation des enroulements du stator peuvent subir diverses formes de dégradation. Le défi pour les compagnies d'électricité est de détecter ces problèmes suffisamment tôt pour effectuer une maintenance planifiée plutôt que de réagir à des pannes inattendues. Entre ces tests, qui peuvent être espacés de plusieurs années, les conditions peuvent changer. La surveillance continue en ligne comble cette lacune en offrant une visibilité permanente sur l'état de l'enroulement du stator pendant que le générateur fonctionne dans des conditions normales.

Contexte du cas

Société: BC Hydro, Colombie-Britannique, Canada

Spécifications de la machine:

• Type : Générateur hydroélectrique refroidi à l'air.
• Régime : 239 MVA, 13,8 kV.
• Âge: 37 ans.
• Fabricant: Confidentiel.

À 37 ans, ce générateur représentait un actif mature au sein du parc de BC Hydro. Tout en continuant à fournir un service fiable, la machine devait faire l'objet d'une surveillance étroite afin d'assurer un fonctionnement sécuritaire continu et de permettre une planification proactive de l'entretien.

Le système de surveillance

BC Hydro a équipé ce générateur d'un système complet de surveillance des décharges partielles. L'installation comprenait six coupleurs PDA (capteurs capacitifs) sur chacune des trois phases, soit dix-huit capteurs au total. Ces capteurs étaient reliés à un instrument de surveillance continue HydroTrac.

Les coupleurs capacitifs détectent les signaux à haute fréquence générés par l'activité des décharges partielles dans le système d'isolation. En capturant et en analysant continuellement ces signaux pendant le fonctionnement normal du générateur, le système de surveillance peut identifier les changements dans les modèles de décharge qui indiquent l'apparition de problèmes.

L'avantage de la surveillance continue par rapport aux tests périodiques est la capacité d'observer les tendances au fil du temps et de détecter les problèmes dès qu'ils commencent à se développer, plutôt que d'attendre le prochain arrêt programmé.

Ce que les données ont révélé

Le système de surveillance HydroTrac a détecté l'activité de décharge partielle spécifiquement dans la région de l'extrémité de l'enroulement du stator. Les spires d'extrémité (également appelés enroulements d'extrémité ou surplombs) sont les parties des bobines qui dépassent le noyau du stator aux deux extrémités de la machine. Ces régions sont particulièrement vulnérables à certains types de problèmes d'isolation parce qu'elles sont exposées à l'atmosphère interne au lieu d'être protégées par les fentes du noyau. L'analyse des modèles de décharge partielle a fourni des informations diagnostiques importantes sur la nature et la gravité du problème.

Comprendre la signature diagnostique

Les données de décharge partielle de la phase C ont été affichées sur un graphique bidimensionnel montrant la relation entre l'ampleur de la décharge et le cycle de tension CA. Ce type de visualisation est un outil de diagnostic standard dans l'analyse des décharges partielles.

Comme le montre la figure 1, le tracé a révélé une grande bosse à des magnitudes de décharge élevées. Cette bosse est apparue à la fois dans les parties positives et négatives du cycle CA, indiquant une activité de décharge se produisant tout au long de la forme d'onde de la tension. Les niveaux de magnitude et le schéma de cette activité indiquaient un état nécessitant une attention particulière.

_{Figure 1 : Tracé de DP 2D montrant une bosse à des magnitudes élevées - Phase C}

La capacité à caractériser les modèles de décharge de cette manière est l'un des principaux avantages de la surveillance moderne des décharges partielles. Plutôt que de simplement détecter la présence d'une décharge, le système peut fournir des informations détaillées sur l'ampleur, la fréquence et la relation de phase de la décharge, ce qui aide à diagnostiquer la cause sous-jacente.

Réponse de maintenance

Armée d'informations spécifiques sur l'emplacement et la nature de l'activité de décharge, l'équipe de maintenance de BC Hydro a été en mesure de planifier une intervention ciblée. Les données des coupleurs PDA ont indiqué que la décharge se produisait à proximité de capteurs spécifiques, ce qui a permis au personnel de concentrer ses efforts sur une zone définie de l'enroulement.

Le processus de réparation

Le travail de maintenance s'est concentré sur les dix barres de stator situées le plus près des coupleurs PD qui avaient détecté l'activité de décharge élevée. Ces barres ont été soumises à un processus de réparation en deux étapes :

1. Nettoyage: Les surfaces des dix barres identifiées ont été nettoyées à fond.
2. Recouvrement: Après le nettoyage, les barres ont été recouvertes d'époxy glyptal rouge.

L'époxy glyptal est un matériau isolant standard utilisé dans les applications de machines électriques. Le processus de revêtement a permis de restaurer la surface d'isolation de ces barres.

Des résultats mesurables

L'un des aspects les plus précieux de la surveillance continue est la possibilité de vérifier immédiatement si une réparation a été effectuée avec succès. Plutôt que d'attendre le prochain test prévu ou d'être confrontés à des problèmes persistants, les opérateurs peuvent voir en temps réel si l'action corrective a traité la cause première.

Dans ce cas, les résultats ont été clairs et spectaculaires.

Performance après réparation

Après l'achèvement des travaux de maintenance, HydroTrac a continué à surveiller les niveaux de décharge partielle sur les trois phases et à en dégager les tendances. Les données de tendance pour la phase C ont montré une réduction significative de l'activité de DP (Figure 2).

_{Figure 2 : Tendance de l'activité de DP - Phase C}

Le graphique de tendance s'étend d'avril 2005 à janvier 2006 et illustre clairement l'impact de la réparation. Avant l'intervention de maintenance d'octobre 2005, la phase C présentait des niveaux de DP supérieurs à 2 500 mV. Après le nettoyage et le revêtement des dix barres, les niveaux de décharge sont tombés en dessous de 500 mV, soit une réduction de plus de 80 %.

Importamment, les données de surveillance ont montré que cette amélioration s'est maintenue dans le temps. Les niveaux de DP sont restés bas et stables jusqu'en janvier 2006 et au-delà, confirmant que la réparation avait permis de résoudre le problème sous-jacent au lieu de n'apporter qu'un soulagement temporaire.

La proposition de valeur

Cette étude de cas démontre plusieurs avantages importants que la surveillance continue des décharges partielles apporte à la gestion du parc de générateurs:

Détection précoce des problèmes

Le système de surveillance a identifié un problème d'isolation alors que le générateur fonctionnait encore normalement. Il n'y a pas eu d'indication de défaillance, pas d'alarme, pas de déclenchement - juste une activité de décharge se développant progressivement que la surveillance continue a détecter dans ses premiers stades. Cette alerte précoce a donné le temps de planifier et de programmer la maintenance pendant un arrêt pratique plutôt que de répondre à une urgence.

Précision du diagnostic

Les données de surveillance n'ont pas seulement indiqué que "quelque chose ne va pas quelque part"." Elles ont fourni des informations spécifiques sur l'emplacement du problème (phase C, région de l'extrémité du virage, près de capteurs spécifiques) et sur le type de décharge qui se produisait. Ce niveau de diagnostic détaillé a permis de cibler les réparations plutôt que de procéder à des investigations approfondies ou à des remplacements en bloc.

Utilisation efficace des ressources de maintenance

Parce que les données de surveillance ont permis de localiser la zone problématique, le personnel de maintenance a pu concentrer ses efforts sur dix barres spécifiques plutôt que d'inspecter l'ensemble de l'enroulement. Cette efficacité se traduit directement par une réduction des temps d'arrêt et des coûts de maintenance.

Vérification objective des réparations

Les données sur les tendances après réparation ont fourni des preuves quantitatives et objectives de la réussite des travaux de maintenance. Plutôt que de se fier à une inspection visuelle ou à une évaluation subjective, le même système de surveillance qui a détecté le problème a confirmé qu'il avait été résolu. Cette vérification permet aux opérateurs de remettre la machine en service en toute confiance.

Gestion des actifs à long terme

Au delà du cas immédiat, la surveillance continue fournit des informations précieuses pour les décisions de gestion des actifs à long terme. Les données aident les services publics à comprendre quelles machines rencontrent des problèmes, quels types de problèmes se produisent et à quelle vitesse les conditions changent. Ces informations permettent de mieux planifier la maintenance future et le remplacement éventuel.

Contexte plus large : Technologie de surveillance des décharges partielles

La technologie démontrée dans ce cas est devenue de plus en plus courante dans les programmes de surveillance de l'état des générateurs. Comprendre comment elle fonctionne permet d'expliquer pourquoi elle est si efficace.

Qu'est-ce qu'une décharge partielle ?

Une décharge partielle est une décharge électrique localisée qui ne comble que partiellement l'isolation entre les conducteurs. Contrairement à une rupture complète (qui entraînerait une défaillance immédiate), les décharges partielles sont de petits événements qui se produisent de manière répétée dans les vides, le long des surfaces ou à d'autres points faibles du système d'isolation.

Bien que les décharges individuelles puissent ne pas endommager immédiatement l'isolation, au fil du temps, elles peuvent contribuer à la dégradation. Plus important encore, la présence d'une décharge partielle sert d'indicateur que quelque chose ne va pas dans le système d'isolation - il y a des vides, une contamination, une détérioration ou d'autres défauts qui ne devraient pas être là.

Pourquoi surveiller en ligne ?

La décharge partielle peut être mesurée soit hors ligne (avec le générateur arrêté et la tension d'essai appliquée), soit en ligne (pendant le fonctionnement normal). Chaque approche présente des avantages, mais la surveillance en ligne offre plusieurs avantages uniques :

• Conditions de fonctionnement réelles : Le générateur est soumis à une tension de fonctionnement, une température et des forces mécaniques réelles.
• Tendance continue : Les changements peuvent être détectés immédiatement plutôt que d'attendre des mois ou des années entre les tests.
• Pas d'interruption : Les tests sont effectués sans mettre le générateur hors service.
• Historique de fonctionnement: Le système établit un historique complet du comportement de la décharge dans diverses conditions de fonctionnement.

Application aux hydrogénérateurs

Les hydrogénérateurs présentent à la fois des opportunités et des défis pour la surveillance des décharges partielles. D'une part, ces machines fonctionnent généralement à des tensions relativement modérées (par rapport aux grands générateurs à turbine), ce qui peut faciliter la détection des décharges. D'autre part, les machines sont souvent assez anciennes, peuvent connaître des conditions de fonctionnement variables et peuvent développer divers problèmes d'isolation.

Les problèmes de bobinage en bout de ligne, comme ceux détectés dans ce cas, sont particulièrement fréquents dans les hydrogénérateurs pour les raisons suivantes :

• Les bobines d'extrémité sont exposées à l'atmosphère interne.
• Les flux d'air peuvent déposer des contaminants sur les surfaces isolantes.
• Les variations de température et d'humidité peuvent affecter l'état des surfaces.
• Les machines peuvent fonctionner pendant des décennies, ce qui permet une accumulation graduelle de la contamination.

Les leçons pour la gestion du parc de générateurs

Ce cas de BC Hydro offre plusieurs enseignements pour les services publics qui gèrent des actifs similaires :

• Investir dans l'infrastructure de surveillance : L'investissement relativement modeste dans les coupleurs PDA et les instruments de surveillance a porté ses fruits en détectant rapidement un problème et en permettant des réparations ciblées.
• Agir sur les données: La technologie de surveillance n'a de valeur que si les données sont examinées, analysées et exploitées. L'équipe de BC Hydro avait clairement mis en place des processus pour examiner les données sur les tendances et réagir de manière appropriée.
• Documenter et partager les résultats: En documentant ce cas (par une publication à l'IRMC 2006), BC Hydro a contribué à la connaissance de l'industrie et a aidé d'autres services publics à tirer parti de leur expérience.
• Envisager un déploiement à l'échelle du parc: Le succès de cette machine suggère la valeur du déploiement d'une surveillance similaire sur d'autres générateurs du parc, en particulier les unités vieillissantes.

Conclusion

Pour BC Hydro, la surveillance continue des décharges partielles sur ce générateur hydroélectrique âgé de 37 ans a permis de détecter l'activité de décharge en bout de bobine qui nécessitait une attention particulière. Les données de surveillance ont permis une maintenance ciblée - nettoyage et revêtement de dix barres de stator - qui a entraîné une réduction significative et durable des niveaux de décharge.

Ce cas illustre la valeur pratique de la surveillance en ligne de l'état des machines tournantes. En fournissant une visibilité continue de l'état de l'isolation, une alerte précoce en cas de problème, des informations de diagnostic pour guider les réparations et une vérification objective de l'efficacité de la maintenance, cette technologie aide les services publics à maximiser la fiabilité et la durée de vie des actifs de production critiques.

Alors que les parcs de générateurs continuent de vieillir et que les intervalles entre les révisions majeures s'allongent, les approches de maintenance basées sur l'état soutenues par une surveillance continue deviendront de plus en plus importantes pour maintenir la fiabilité du parc tout en gérant les coûts.

Référence:

S. Li et J. M. Y. Chow, "Partial Discharge Measurements on Hydro Generator Stator Windings Case Studies," IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 23, no. 3, pp. 5-15, mai-juin 2007, doi : 10.1109/MEI.2007.369456.