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Arabic (عربي) Pourquoi le Gaz Est le Signal
Tout défaut interne dans un transformateur immergé produit du gaz. Un arc électrique décompose l'huile minérale en hydrogène, méthane, éthylène et acétylène ; un papier isolant surchauffé libère du monoxyde et du dioxyde de carbone. Le gaz étant plus léger que l'huile, il monte. Dans un transformateur à conservateur, il n'existe qu'un seul chemin vers le haut : la tuyauterie reliant le couvercle de la cuve au conservateur. Le relais Buchholz se trouve précisément sur ce trajet.
C'est ce qui distingue ce relais des protections électriques. Un relais différentiel ou à maximum de courant réagit au courant : il lui faut un défaut suffisamment important pour perturber l'équilibre électrique du circuit. Le relais Buchholz réagit au sous-produit physique du défaut, qui apparaît bien plus tôt. Un boulon de serrage desserré qui échauffe quelques centimètres carrés de tôle, ou une décharge partielle qui érode une cale, n'appelle aucun courant de défaut mesurable. Mais il produit du gaz dès la première minute.
La conséquence est concrète : le relais Buchholz signale généralement un défaut naissant des jours, voire des semaines, avant que toute autre protection ne le détecte. C'est cette alerte précoce qui explique pourquoi l'appareil reste un équipement standard sur les transformateurs à conservateur depuis plus d'un siècle.
Le relais est installé sur la tuyauterie ascendante entre le couvercle de la cuve et le conservateur, de sorte que tout le gaz sortant de la cuve doive le traverser. Deux éléments indépendants, logés dans le même boîtier, répondent à deux phénomènes physiques distincts.
Fonctionnement à Deux Étages
L'élément supérieur réagit au gaz qui s'accumule lentement ; l'élément inférieur réagit à un déplacement brusque d'huile. Ils sont câblés sur des contacts séparés et n'ont pas du tout la même signification.
Étage 1 — Accumulation de Gaz (Alarme)
Le gaz produit par un défaut à évolution lente s'accumule dans la partie haute du boîtier et chasse l'huile. À mesure que le niveau d'huile baisse dans le relais, un flotteur descend avec lui et ferme le contact d'alarme. Le transformateur reste en service. L'exploitant est averti : il peut prélever le gaz accumulé par le robinet de prise d'échantillon et le faire analyser avant toute décision.
Étage 2 — Coup de Bélier d'Huile (Déclenchement)
Un défaut interne sévère — court-circuit d'enroulement ou amorçage à la masse — vaporise l'huile violemment et projette un flux d'huile et de gaz vers le conservateur. Ce flux frappe un volet situé dans la partie basse du relais, le fait pivoter contre un ressort et ferme le contact de déclenchement. Le transformateur est mis hors tension en quelques périodes, avant que l'énergie de défaut n'endommage la partie active.
La distinction est déterminante en exploitation. Une alarme est une information : quelque chose se développe, il faut investiguer. Un déclenchement est une décision déjà prise : le transformateur a été déconnecté pour limiter les dégâts. Considérer l'alarme comme un signal parasite — la réarmer et passer à autre chose — supprime précisément l'alerte précoce que le relais est censé fournir.
Interpréter le Gaz
Lorsque l'alarme fonctionne, le gaz accumulé peut être prélevé par le robinet situé en partie haute du relais. Sa composition identifie le défaut : c'est la même chimie que celle utilisée en analyse des gaz dissous, mais l'échantillon est prélevé en phase gazeuse et non dans l'huile.
| Gaz dominant | Indique |
|---|---|
| Hydrogène (H₂) | Décharge partielle, effet couronne dans le système isolant |
| Méthane (CH₄), éthane (C₂H₆) | Échauffement de l'huile à basse température, généralement sous 300 °C |
| Éthylène (C₂H₄) | Échauffement à haute température, au-delà d'environ 300 °C |
| Acétylène (C₂H₂) | Arc électrique. L'indication la plus grave — mettre l'appareil hors service et investiguer |
| Monoxyde de carbone (CO), dioxyde de carbone (CO₂) | Dégradation de la cellulose — le papier ou le carton comprimé est en cause |
| Azote (N₂), oxygène (O₂) | Entrée d'air, pas un défaut. Généralement après une intervention, un appoint d'huile ou une fuite de joint |
La couleur donne une première indication avant analyse en laboratoire : un gaz incolore et non inflammable est de l'air ; blanc ou gris suggère une décomposition du papier isolant ; jaune oriente vers le bois ou le carton comprimé ; noir ou gris foncé indique une décomposition de l'huile par arc.
Défauts Détectés
| Condition de défaut | Réponse du relais |
|---|---|
| Décharge partielle, dégradation de l'isolation | Alarme — accumulation lente sur des jours ou des semaines |
| Défaut de circuit magnétique, serrage desserré, échauffement local | Alarme |
| Mauvaise connexion ou raccordement | Alarme |
| Court-circuit entre spires ou entre couches | Alarme d'abord, puis déclenchement à mesure que le défaut évolue |
| Court-circuit majeur d'enroulement, amorçage à la masse | Déclenchement — coup de bélier, action en quelques périodes |
| Perte d'huile sous le niveau du relais | Alarme, puis déclenchement si le niveau continue de baisser |
| Entrée d'air après intervention | Alarme — vérifier par analyse de gaz avant de conclure à un défaut |
Exigences d'Installation
Un relais Buchholz mal installé ne tombe pas en panne de façon visible : il cesse simplement de détecter les défauts. Trois conditions géométriques sont déterminantes.
Pente continue
La tuyauterie doit monter de façon continue de la cuve vers le conservateur, typiquement de 2 à 4°. Tout creux forme une poche où le gaz s'accumule avant d'atteindre le relais, retardant ou empêchant l'alarme.
Approche rectiligne
Une longueur droite d'au moins cinq diamètres de tuyauterie est requise côté cuve et de trois côté conservateur. Des coudes proches du relais perturbent l'écoulement et rendent le comportement de l'élément de surintensité imprévisible.
Diamètre correct
L'alésage du relais correspond à la tuyauterie de raccordement, dimensionnée selon le volume d'huile. Sous-dimensionné, l'écoulement est bridé ; surdimensionné, le coup de bélier peut ne pas développer une force suffisante pour actionner le contact de déclenchement de manière fiable.
Le relais est également orienté. Une flèche sur le boîtier indique le sens d'écoulement vers le conservateur ; monté à l'envers, l'élément de surintensité fait face au mauvais sens et ne déclenchera pas sur défaut.
Caractéristiques Typiques
| Paramètre | Valeur typique |
|---|---|
| Contacts | Deux circuits indépendants — alarme et déclenchement |
| Pouvoir de coupure des contacts | 5 A |
| Diamètre nominal de tuyauterie | 25 mm, 50 mm ou 80 mm, selon la puissance du transformateur |
| Volume d'alarme | Typiquement 100 à 400 cm³ de gaz accumulé, selon la taille du relais |
| Vitesse de fonctionnement du coup de bélier | Couramment 0,65 / 1,0 / 1,5 m/s — choisie selon le transformateur |
| Inclinaison de la tuyauterie | Montante de 2 à 4° vers le conservateur |
| Prélèvement de gaz | Robinet de prise d'échantillon avec voyant et échelle graduée |
| Dispositif d'essai | Bouton-poussoir manuel, essai indépendant des éléments alarme et déclenchement |
| Indice de protection | IP54 ou supérieur pour installation extérieure |
Fausses Alarmes et Comment les Distinguer
Toute alarme Buchholz n'est pas un défaut. Les distinguer prend quelques minutes et évite à la fois des indisponibilités inutiles et — plus dangereux — l'habitude de négliger les alertes réelles.
| Cause | Comment la reconnaître |
|---|---|
| Air libéré après remplissage ou appoint | Gaz incolore et non inflammable ; l'analyse montre azote et oxygène en proportion atmosphérique |
| Air aspiré par un joint qui fuit | Alarmes récurrentes avec la même composition ; niveau d'huile en baisse lente |
| Variation rapide du niveau d'huile au refroidissement | Coïncide avec une forte variation de charge ou de température ambiante ; aucun gaz dans le relais |
| Choc mécanique, vibration, travaux à proximité | Déclenchement sans accumulation de gaz et sans perturbation électrique enregistrée |
| Défaut réel en développement | Gaz combustible présent ; hydrogène, hydrocarbures ou CO dans l'échantillon ; alarmes répétées à intervalles de plus en plus courts |
Le schéma de répétition est souvent plus révélateur qu'une alarme isolée. Une alarme unique peu après une intervention est presque toujours de l'air emprisonné. Une alarme qui revient après deux semaines, puis après dix jours, puis après cinq, décrit un défaut qui s'accélère — et doit être traitée comme telle.
Uniquement sur Transformateurs à Conservateur
Un relais Buchholz nécessite une tuyauterie entre la cuve et un conservateur, ainsi qu'un volume gazeux où le gaz puisse s'accumuler. Les transformateurs hermétiques n'ont ni l'un ni l'autre : la cuve est entièrement remplie et scellée, les parois ondulées absorbant la dilatation de l'huile. Il n'y a ni conservateur, ni tuyauterie de liaison, donc aucun emplacement pour installer le relais.
Les unités scellées sont protégées à la place par un dispositif de protection compact — un appareil de type DMCR ou RIS monté directement sur le couvercle de la cuve, réunissant détection de gaz, mesure de pression, indication de niveau d'huile et mesure de température dans un même boîtier. La fonction de protection est équivalente ; le mécanisme diffère parce que la disposition physique diffère.
Remarque : Les valeurs de cet article sont typiques des transformateurs de distribution et de moyenne puissance et sont données à titre indicatif. Sur les unités à conservateur, DATSAN monte le relais Buchholz en standard au-delà d'une puissance définie, et sur demande en deçà. La taille du relais, le réglage de vitesse et la configuration des contacts sont déterminés au stade de la conception selon la puissance du transformateur et le plan de protection du client, puis confirmés dans le rapport d'essais.