Moniteurs DGA utilisant les méthodes de mesure de la chromatographie en phase gazeuse (GC)
Dans la chromatographie en phase gazeuse (GC), un échantillon de gaz est analysé en commençant par séparer les composés moléculaires qui composent l’échantillon, puis en mesurant, un par un, la concentration de chaque composé. La séparation est effectuée à l’aide d’un gaz porteur inerte pour rincer un petit volume de l’échantillon de gaz à travers une ou plusieurs colonnes de séparation de gaz. Un détecteur situé à l’extrémité de la colonne enregistre un pic de signal lorsque chaque composé sort de la colonne à un temps de « rétention » bien défini qui est caractéristique de ce composé. La concentration de chaque composé est déterminée en comparant l’amplitude ou la surface intégrée de chaque pic détecté avec celle obtenue lorsqu’un mélange connu de « gaz d’étalonnage » est injecté dans le même système.
Avantages des méthodes de GC pour la DGA
Les méthodes de GC sont la pierre angulaire des mesures de laboratoire de la DGA dans le monde entier. Certains moniteurs en ligne de la DGA et certains analyseurs portables de la DGA utilisent également les méthodes de GC en raison de leurs avantages majeurs. Les gaz d’intérêt généralement utilisés pour évaluer la santé des transformateurs sont l’hydrogène (H2), le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), l’acétylène (C2H2), l’éthylène (C2H4), l’éthane (C2H6) et les composants de l’air que sont l’oxygène (O2) et l’azote (N2).
Éviter l’interférence des « autres » espèces
L’approche de séparation et de mesure est bien adaptée aux applications de la DGA car les liquides des transformateurs, et les échantillons de gaz qui en sont extraits, contiennent souvent des composés autres que les gaz d’intérêt. Ces « autres » composés peuvent comprendre des gaz d’hydrocarbures plus lourds, des alcools, des acides, du SF6 (qui s’échappe dans le fluide diélectrique à partir de traversées isolées au gaz, par exemple), entre autres. Comme le montre la figure 1 en rouge, un système de chromatographie en phase gazeuse bien conçu pour la DGA séparera les signaux des gaz d’intérêt des signaux des « autres » composés, afin que la précision des mesures de la DGA ne soit pas compromise par la présence de ces « autres » composés.
En comparaison, les mesures de la DGA basées sur la spectroscopie d’absorption infrarouge (y compris NDIR, PAS, FTIR, etc.) ne séparent pas les espèces de gaz, mais estiment plutôt les concentrations de gaz en mesurant l’absorption IR d’un échantillon de gaz mixte. Lorsque les « autres » composés sont présents dans l’échantillon de gaz extrait, ils peuvent interférer avec les mesures IR en provoquant un chevauchement inconnu de l’absorption IR supplémentaire dans les mêmes régions spectrales utilisées pour estimer les concentrations des gaz d’intérêt. Par exemple, la vapeur d’eau, qui est présente à un certain degré dans tous les échantillons de la DGA, a une absorption IR significative dans presque toutes les régions spectrales utilisées pour estimer les concentrations des gaz d’intérêt. L’interférence d’« autres » espèces peut entraîner des erreurs importantes dans les concentrations de gaz DGA signalées, et ces erreurs peuvent varier de manière imprévisible dans le temps avec des biais négatifs et positifs selon la méthode IR et les algorithmes utilisés pour découpler les signaux IR mélangés.
Gaz d’étalonnage pour une précision pendant la durée de vie
Les méthodes de GC conservent leur précision pendant toute la durée de vie du produit grâce à l’utilisation d’un gaz d’étalonnage. Presque tous les systèmes de mesure des gaz sont susceptibles de dériver avec le temps et avec les changements de l’environnement de fonctionnement (par exemple, la température, la pression, l’humidité). L’étalonnage régulier (généralement quotidien) du système de chromatographie en phase gazeuse selon une norme connue permet de compenser ces dérives. Par conséquent, les mesures de concentration de gaz à l’avenir auront la même précision que celles effectuées le premier jour d’utilisation.
Un autre avantage de l’étalonnage régulier est parfois négligé : Les résultats de l’étalonnage eux-mêmes sont utiles pour vérifier que le système de mesure du gaz fonctionne comme prévu. Si les résultats de l’étalonnage ne se situent pas dans les limites normales, le moniteur de la DGA peut éviter de signaler des données erronées qui pourraient déclencher une fausse condition d’alarme de gaz pour le transformateur. Le système peut plutôt envoyer une alerte de maintenance à l’équipe de gestion des actifs pour enquêter sur le dysfonctionnement de manière non urgente.
Sensibilité
Les moniteurs de la DGA avec de faibles limites de détection de gaz sont avantageux pour la détection et l’interprétation précoces des défauts, en particulier dans les transformateurs neufs. Par exemple, il est important d’examiner la première fois qu’un transformateur neuf développe aussi peu que 2 ppm d’acétylène, surtout si cela se produit au début de la vie utile car cela peut indiquer un défaut de fabrication ou un dommage dû au transport. Certains moniteurs utilisant les méthodes de chromatographie en phase gazeuse ont des limites de détection inférieures au ppm pour l’acétylène (et d’autres gaz) et sont précis dans la gamme des faibles ppm. Cette sensibilité permet de détecter et de suivre ces défauts dès leur apparition, afin que des mesures correctives bien réfléchies puissent être prises le plus rapidement possible pour minimiser les risques et les dommages associés.
Parmi les moniteurs de la DGA actuellement disponibles qui utilisent des méthodes IR (NDIR, PAS, FTIR), aucun n’offre des limites de détection inférieures à celles du ppm dans les fluides des transformateurs, en particulier en présence d’« autres » composés interférents, et avec les effets réels d’une installation à l’extérieur, sur un transformateur, et de l’extraction des gaz du pétrole.
Membranes d’extraction de gaz
Les méthodes de GC présentent un autre avantage, plus spécifique aux moniteurs en ligne de la DGA. Le volume de gaz nécessaire pour une mesure de GC est très faible, généralement inférieur à 1 cm3. Ces petits échantillons de gaz peuvent être extraits du fluide du transformateur au cours d’un cycle de mesure typique d’une heure à l’aide d’un extracteur de gaz à membrane semi-perméable. Les extracteurs à membrane sont efficaces pour empêcher les gouttelettes et les vapeurs d’huile de pénétrer dans le système de mesure des gaz pendant le fonctionnement du système. Ils constituent également un moyen robuste d’empêcher le pétrole liquide de pénétrer dans le système de mesure du gaz pendant le transport et la manutention. Dans les moniteurs GC DGA, les extracteurs à membrane maintiennent les vannes de gaz et la ou les colonne(s) de séparation de gaz propres, et contribuent à garantir les performances et la fiabilité à long terme.
Durée de vie des colonnes
La plupart des laboratoires de la DGA utilisent un type de colonne GC appelé tamis moléculaire pour séparer certains des gaz. Avec l’usage, ces colonnes perdent progressivement leur capacité à séparer le CH4 du N2. La dégradation est causée par la vapeur d’eau qui est présente, à un certain degré, dans tous les échantillons de la DGA. La dégradation peut être partiellement inversée en « conditionnant » la colonne à haute température de temps à autre, mais le conditionnement finit par ne plus être efficace et la colonne doit être remplacée.
L’expérience a montré que si une colonne de tamis moléculaires est utilisée pour les mesures de la DGA, avec 6 mesures par jour, la colonne doit être remplacée tous les 3 à 5 ans. Certains moniteurs GC DGA utilisent des colonnes qui ne sont pas du type tamis moléculaire, expressément pour que les colonnes n’aient pas besoin d’être remplacées pendant la durée de vie du moniteur.
Coûts de maintenance
Tous les moniteurs en ligne de la DGA nécessitent une certaine maintenance pendant leur durée de vie. Certains modèles nécessitent une maintenance régulière sur place pour nettoyer ou changer les filtres à huile, ou pour s’assurer que les voies de circulation de l’air extérieur ne sont pas obstruées. Certains modèles nécessitent une révision majeure après 3 à 5 ans de service, qui, dans certains cas, peut être effectuée sur le terrain. Les mises à jour des microprogrammes et les téléchargements périodiques de « bilan de santé » sont de bonnes pratiques, et les coûts associés peuvent être minimisés si des communications à distance ont été configurées pour ces tâches. Naturellement, des modèles plus fiables réduisent les coûts liés aux pannes imprévues.
Pour les moniteurs qui utilisent les méthodes de chromatographie en phase gazeuse, les bouteilles de gaz porteur et de gaz d’étalonnage doivent être remplacées lors de la maintenance programmée tous les 3 ou 4 ans. Pour simplifier la gestion des bouteilles de gaz, certains modèles communiquent à distance les pressions de gaz, les taux de consommation de gaz et le temps restant avant que les bouteilles ne doivent être remplacées. Lorsque l’on compare le coût de la durée de vie des différents moniteurs de la DGA, il faut tenir compte du coût de toutes les visites d’entretien, des matériaux et des réparations/révisions.
Conclusions
Les moniteurs de la DGA qui utilisent les méthodes de GC sont en mesure d’offrir les avantages suivants :
- La précision de la DGA n’est pas compromise par les « autres » gaz et composés présents dans l’huile
- La précision de la DGA est maintenue tout au long de la durée de vie du produit grâce au gaz d’étalonnage embarqué
- Sensibilité inferieure au ppm et précision permettant de détecter et d’interpréter les défauts le plus tôt possible
- Plage de détection exceptionnelle allant de moins de 1 ppm à 100 000 ppm pour couvrir toutes les conditions de la DGA
- Extraction du gaz par membrane pour maintenir propre le système de mesure du gaz et obtenir une fiabilité à long terme, et
- Certains moniteurs GC utilisent des colonnes qui ne nécessitent pas d’entretien de remplacement coûteux pendant la durée de vie du moniteur.
INFO SUPPLÉMENTAIRE :
- Moniteurs de diagnostic Morgan Schaffer Calisto DGA
- Moniteurs de détection de défauts Morgan Schaffer Calisto
