Étude de la contrainte électrique subie par l'isolation de spires dédiée des bobines statoriques des grandes machines hydroélectriques

Djuidje Kamdoum, Marie Rosine (2023). Étude de la contrainte électrique subie par l'isolation de spires dédiée des bobines statoriques des grandes machines hydroélectriques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La production et la consommation d'énergie électrique sont essentielles pour assurer le bon fonctionnement de la société. Les machines électriques jouent un rôle crucial dans la performance des systèmes électriques, en particulier dans la production d’électricité, ce qui souligne l'importance de les maintenir en bon état. Cependant, les défaillances des bobines d'alternateurs sont souvent reliées à l'isolation de spires dédiée, (Dedicated Turn Insulation (DTI)), entrainant des dommages significatifs dans l’alternateur. La défaillance du DTI est généralement provoquée par des impulsions provenant du réseau, comme les phénomènes transitoires liés aux manœuvres des équipements de coupure ou à la foudre. Cette défaillance survient lorsque le DTI est dégradée pour maintenir un niveau d'isolement acceptable.

Actuellement, il existe peu d’études sur le phénomène de dégradation de l’isolation de spires dédiée et présentement, il n’y a aucun essai type pour évaluer la performance à long terme de ce type d’isolation. Malgré le manque de connaissances, les manufacturiers proposent d’utiliser des bobines sans isolation de spires dédiée (dedicated turn insulation DTI), qui sont moins coûteuses à fabriquer et qui permettraient d’augmenter la puissance de l’alternateur, car lorsqu’il n’a pas d’isolation de spires dédiée, il y’a plus d’espace, on peut donc augmenter la surface conductrice et réduire les pertes joules. Ces types de bobine sont présentement utilisés en Europe mais est très peu en Amérique du Nord puisque leur performance à long terme n’a pas encore été démontrée.

Dans le cadre des projets de réfection des alternateurs, Hydro-Québec est amené à prendre des décisions sur l’achat des différents types de bobines proposé par les manufacturiers. Le projet d’étude de la performance à long terme des bobines avec et sans DTI permettra à HydroQuébec de prendre des décisions éclairées en s’appuyant sur des données valables quant à la performance des bobines sans DTI et valider si elle est comparable aux bobines avec DTI.

La première partie de l’étude visait à étudier la capacité de la technique mesure SFRA (Analyse de la Réponse en Fréquence de la Mesure) à caractériser la dégradation du système d’isolation DTI. Les outils de diagnostic conventionnels tel que les mesures de décharges partielles et du facteur de dissipation pour le diagnostic de l’isolation de masse ne sont pas performants pour tester l’isolation de spire dédiée. C'est pour cette raison que, la technique de mesure SFRA, couramment utilisée pour les transformateurs de puissance présentait un intérêt et s’est avéré efficace à détecter des défauts de l’isolation DTI. Les avantages de la mesure SFRA résident dans sa portabilité (équipements alimentés par batterie), sa rapidité à détecter divers défauts et sa sécurité (application de faibles tensions). À ce jour, cette technique n'a été testée que de manière expérimentale pour les machines électriques et aucun projet de normalisation n'est en cours. L’évaluation de la mesure SFRA s’est faite par l’insertion de résistance de défaut entre spires sur une bobine individuelle en laboratoire.

La deuxième partie de l’étude visait à développer un modèle de circuit électrique RLC représentatif d’une bobine statorique développé sous l’environnement MATLABSIMULINK. Le but du développement d'un modèle de bobine était de créer une représentation mathématique et physique de la bobine qui permettra d'évaluer comment la tension est distribuée à l'intérieur de celle-ci. Ce modèle contribuera ultérieurement à simuler le comportement de la bobine face à la contrainte électrique, plus précisément aux surtensions responsables des défaillances ultimes des bobines statoriques.

Deux types de modèles ont été évalués, soit celui à paramètres distribués des lignes de transmission et celui à paramètres localisés. C’est ce dernier qui a fait l’objet d’un développement plus poussé étant plus représentatif du comportement d’une bobine statorique. Les mesures SFRA (Analyse de la Réponse en Fréquence de la Mesure) ont été utilisées pour valider ce modèle. En d'autres termes, les résultats des mesures SFRA ont été comparés aux résultats de la simulation obtenue à partir du modèle développé. Cette validation a permis de vérifier si le modèle était précis et reflétait de manière fidèle le comportement réel de la bobine.

Titre traduit

Study of the electrical stress experienced by the dedicated turn insulation of the stator coil windings of large hydroelectric machines

Résumé traduit

The production and consumption of electrical energy are essential for the proper functioning of modern society. Electrical machines play a crucial role in the performance of electrical systems, especially in power generation, emphasizing the importance of maintaining them in good condition. However, failures in alternator coils are often related to the dedicated turn insulation (DTI) and, in such cases, result in significant damage. DTI failure is generally caused by impulses from the electrical network, such as transient phenomena related to equipment switching or lightning strikes. This failure occurs when DTI is degraded or limited to maintain an acceptable level of insulation.

Currently, there are few studies on the degradation phenomenon of coil insulation, and there is presently no standardized test to evaluate the long-term performance of this type of insulation. Despite the lack of knowledge, manufacturers propose the use of coils without dedicated turn insulation (DTI), which are less expensive to manufacture and could increase the alternator's power output. This type of coil is currently used in Europe but is rarely found in North America because its long-term performance has not yet been demonstrated.

As part of the alternator refurbishment project, Hydro-Québec is required to make decisions regarding the purchase of different types of coils offered by manufacturers. The project to study the long-term performance of coils with and without DTI will allow Hydro-Québec to make informed decisions based on valid data regarding the performance of coils without DTI and to validate whether it is comparable to coils with DTI.

The first part of the study aimed to investigate the ability of the SFRA (Sweep Frequency Response Analysis) measurement technique to characterize the degradation of the DTI insulation system. Conventional diagnostic tools, such as partial discharge measurements and dissipation factor measurements for mass insulation diagnosis, are not effective for testing dedicated turn insulation. This is why the SFRA measurement technique, commonly used for power transformers, was of interest and proved effective in detecting DTI insulation defects. Its advantages lie in its portability (battery-powered equipment), speed in detecting various defects, and safety (application of low voltages). To date, this technique has only been tested experimentally for electrical machines, and no standardization projects are in progress. The evaluation of the SFRA measurement was carried out by inserting fault resistances between turns on an individual coil in the laboratory.

The second part of the study aimed to develop an RLC model representative of a stator coil developed in the MATLAB environment. The purpose of developing a coil model was to create a mathematical and physical representation of the coil that would allow us to evaluate how the voltage is distributed inside it. This model will subsequently contribute to simulating the behavior of the coil under electrical stress, specifically overvoltages responsible for the ultimate failure of stator coils.

Two types of models were evaluated, namely the distributed parameter transmission line model and the lumped parameter model. The latter was further developed as it is more representative of the behavior of a stator coil. SFRA (Sweep Frequency Response Analysis) measurements were used to validate this model. In other words, the results of SFRA measurements were compared to the simulation results obtained from the developed model. This validation ensured that the model was accurate and faithfully reflected the real behavior of the coil.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maitrise avec mémoire en génie électrique". Comprend des références bibliographiques (pages 99-106).
Mots-clés libres:	isolation de spires dédiée, mesure SFRA, modèle à paramètres distribués, modèle à paramètres localisés
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse David, Éric
Codirecteur:	Codirecteur Provencher, Hélène
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	26 janv. 2024 20:32
Dernière modification:	26 janv. 2024 20:32
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3383

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