IEC TS 60076-14:2004
(Main)Power transformers - Part 14: Design and application of liquid-immersed power transformers using high-temperature insulation materials
Power transformers - Part 14: Design and application of liquid-immersed power transformers using high-temperature insulation materials
Provides design, testing and loading information for use by both the manufacturer and user of liquid-immersed power transformers using either high-temperature insulation or combinations of high-temperature and conventional insulation.
Transformateurs de puissance - Partie 14: Conception et application des transformateurs de puissance immergés dans du liquide utilisant des matériaux isolants haute température
Fournit des informations pour la spécification, l'étude, les essais et le chargement à utiliser tant par le constructeur que par l'utilisateur de transformateurs de puissance immergés dans du liquide utilisant une isolation haute température ou des combinaisons d'isolation haute température et traditionnelle.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
TECHNICAL IEC
SPECIFICATION TS 60076-14
First edition
2004-11
Power transformers –
Part 14:
Design and application of liquid-immersed
power transformers using high-temperature
insulation materials
This English-language version is derived from the original
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Reference number
IEC/TS 60076-14:2004(E)
Publication numbering
As from 1 January 1997 all IEC publications are issued with a designation in the
60000 series. For example, IEC 34-1 is now referred to as IEC 60034-1.
Consolidated editions
The IEC is now publishing consolidated versions of its publications. For example,
edition numbers 1.0, 1.1 and 1.2 refer, respectively, to the base publication, the base
publication incorporating amendment 1 and the base publication incorporating
amendments 1 and 2.
Further information on IEC publications
The technical content of IEC publications is kept under constant review by the IEC,
thus ensuring that the content reflects current technology. Information relating to this
publication, including its validity, is available in the IEC Catalogue of publications
(see below) in addition to new editions, amendments and corrigenda. Information on
the subjects under consideration and work in progress undertaken by the technical
committee which has prepared this publication, as well as the list of publications
issued, is also available from the following:
• IEC Web Site (www.iec.ch)
• Catalogue of IEC publications
The on-line catalogue on the IEC web site (www.iec.ch/searchpub) enables you to
search by a variety of criteria including text searches, technical committees and
date of publication. On-line information is also available on recently issued
publications, withdrawn and replaced publications, as well as corrigenda.
• IEC Just Published
This summary of recently issued publications (www.iec.ch/online_news/ justpub) is
also available by email. Please contact the Customer Service Centre (see below)
for further information.
• Customer Service Centre
If you have any questions regarding this publication or need further assistance,
please contact the Customer Service Centre:
Email: custserv@iec.ch
Tel: +41 22 919 02 11
Fax: +41 22 919 03 00
TECHNICAL IEC
SPECIFICATION TS 60076-14
First edition
2004-11
Power transformers –
Part 14:
Design and application of liquid-immersed
power transformers using high-temperature
insulation materials
© IEC 2004 Copyright - all rights reserved
No part of this publication may be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic or mechanical,
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W
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International Electrotechnical Commission
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TS 60076-14 IEC:2004 – 3 –
CONTENTS
FOREWORD.7
INTRODUCTION.11
1 Scope.13
2 Normative references .13
3 Terms and definitions .15
4 Materials .19
4.1 General .19
4.2 Solid insulation.19
4.3 Wire enamel insulation .23
4.4 Insulating liquids .25
5 Insulation systems.29
5.1 General .29
5.2 Insulation system types .31
6 Temperature limits.39
7 Transformer accessories and compatibility .43
7.1 General .43
7.2 Bushings .43
7.3 Tap-changer.43
7.4 Gasket material .43
7.5 Tank painting .43
7.6 Coolers .43
7.7 Pumps.45
7.8 Conservator .45
7.9 Adhesives .45
7.10 Current transformers .45
7.11 Temperature gauges and indicators.45
7.12 Buchholz relays.45
8 Special design considerations .45
8.1 Short-circuit considerations .45
8.2 Dielectric requirements.47
8.3 Temperature requirements .47
8.4 Overload .51
8.5 Effects of harmonic currents.51
8.6 Oil preservation system.51
9 Required Information .51
9.1 Information to be provided by the purchaser.51
9.2 Information to be provided by the manufacturer.53
10 Rating plate and additional information.53
10.1 Rating plate.53
10.2 Transformer manual .55
TS 60076-14 IEC:2004 – 5 –
11 Testing .55
11.1 General .55
11.2 General requirements for routine, type and special tests .55
11.3 Temperature-rise test .55
11.4 Dielectric type tests.59
12 Supervision, diagnostics, and maintenance .59
12.1 Introduction .59
12.2 Transformers filled with mineral insulating oil .59
12.3 Transformers filled with high-temperature insulating liquids.61
Annex A (informative) Calculation of bubble generation temperature .63
Annex B (informative) Transformer temperature development for Tables 4 and 5.73
Bibliography.75
Figure 1 – Illustration of solid insulation in a homogeneous insulation system.31
Figure 2 – Illustration of solid insulation in a hybrid insulation system .33
Figure 3 – Illustration of solid insulation in a semi-hybrid insulation system .35
Figure 4 – Illustration of solid insulation in a mixed insulation system .37
Figure 5 – Temperature gradient conductor to liquid .49
Figure 6 – Modified temperature diagram for windings with mixed insulation system.57
Figure A.1 – Bubble evolution temperature chart.65
Figure A.2 – Moisture equilibrium curves for cellulose and mineral oil.67
Figure A.3 – Logarithmic moisture equilibrium curves for cellulose and mineral oil.69
Figure A.4 – Water content of paper versus bubble evolution temperature for parameters
taken from the example .71
Table 1 – Typical properties of solid insulation materials .21
Table 2 – Typical enamels for wire insulation.23
Table 3 – Typical properties of insulating liquids .27
Table 4 – Temperature limits for transformers with mineral insulating liquid .41
Table 5 – Temperature limits for transformers with high-temperature liquids .41
TS 60076-14 IEC:2004 – 7 –
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION
____________
POWER TRANSFORMERS –
Part 14: Design and application
of liquid-immersed power transformers
using high-temperature insulation materials
FOREWORD
1) The International Electrotechnical Commission (IEC) is a worldwide organization for standardization comprising
all national electrotechnical committees (IEC National Committees). The object of IEC is to promote
international co-operation on all questions concerning standardization in the electrical and electronic fields. To
this end and in addition to other activities, IEC publishes International Standards, Technical Specifications,
Technical Reports, Publicly Available Specifications (PAS) and Guides (hereafter referred to as “IEC
Publication(s)”). Their preparation is entrusted to technical committees; any IEC National Committee interested
in the subject dealt with may participate in this preparatory work. International, governmental and non-
governmental organizations liaising with the IEC also participate in this preparation. IEC collaborates closely
with the International Organization for Standardization (ISO) in accordance with conditions determined by
agreement between the two organizations.
2) The formal decisions or agreements of IEC on technical matters express, as nearly as possible, an international
consensus of opinion on the relevant subjects since each technical committee has representation from all
interested IEC National Committees.
3) IEC Publications have the form of recommendations for international use and are accepted by IEC National
Committees in that sense. While all reasonable efforts are made to ensure that the technical content of IEC
Publications is accurate, IEC cannot be held responsible for the way in which they are used or for any
misinterpretation by any end user.
4) In order to promote international uniformity, IEC National Committees undertake to apply IEC Publications
transparently to the maximum extent possible in their national and regional publications. Any divergence
between any IEC Publication and the corresponding national or regional publication shall be clearly indicated in
the latter.
5) IEC provides no marking procedure to indicate its approval and cannot be rendered responsible for any
equipment declared to be in conformity with an IEC Publication.
6) All users should ensure that they have the latest edition of this publication.
7) No liability shall attach to IEC or its directors, employees, servants or agents including individual experts and
members of its technical committees and IEC National Committees for any personal injury, property damage or
other damage of any nature whatsoever, whether direct or indirect, or for costs (including legal fees) and
expenses arising out of the publication, use of, or reliance upon, this IEC Publication or any other IEC
Publications.
8) Attention is drawn to the Normative references cited in this publication. Use of the referenced publications is
indispensable for the correct application of this publication.
9) Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this IEC Publication may be the subject of
patent rights. IEC shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
The main task of IEC technical committees is to prepare International Standards. In
exceptional circumstances, a technical committee may propose the publication of a technical
specification when
• the required support cannot be obtained for the publication of an International Standard,
despite repeated efforts, or
• The subject is still under technical development or where, for any other reason, there is
the future but no immediate possibility of an agreement on an International Standard.
Technical specifications are subject to review within three years of publication to decide
whether they can be transformed into International Standards.
TS 60076-14 IEC:2004 – 9 –
IEC 60076-14, which is a technical specification, has been prepared by IEC technical
committee 14: Power transformers.
The text of this technical specification is based on the following documents:
Enquiry draft Report on voting
14/468/DTS 14/482/RVC
Full information on the voting for the approval of this technical specification can be found in
the report on voting indicated in the above table.
This publication has been drafted in accordance with the ISO/IEC Directives, Part 2.
IEC 60076 consists of the following parts under the general title Power transformers
Part 1: General
Part 2: Temperature rise
Part 3: Insulation levels, dielectric tests and external clearances in air
Part 4: Guide to the lightning impulse and switching impulse testing – Power transformers
and reactors
Part 5: Ability to withstand short circuit
Part 8: Application guide
Part 10: Determination of sound levels
Part 11: Dry-type transformers
Part 14: Design and application of liquid-immersed power transformers using high-
temperature insulation materials
The committee has decided that the contents of this publication will remain unchanged until
the maintenance result date indicated on the IEC web site under "http://webstore.iec.ch" in
the data related to the specific publication. At this date, the publication will be
• transformed into an International Standard;
• reconfirmed;
• withdrawn;
• replaced by a revised edition, or
• amended.
TS 60076-14 IEC:2004 – 11 –
INTRODUCTION
Winding conductors in liquid-immersed transformers have historically been insulated by
cellulosic paper or enamel. Other solid insulation materials have also been cellulose products.
The insulation liquid has, for the most part been mineral insulating oil. These materials are
still predominant.
The average temperature rise in windings for several tens of years has been limited to
65/70 K and the top oil temperature rise to 60 K, as specified in IEC 60076-2.
Most of the accumulated experience of transformers in service is based on these materials
and these temperature limits. In some cases, space or weight limitations require the designer
to reduce the transformer dimensions with higher temperature rises as a consequence. The
application of materials (both solid and liquid) with better ageing properties at more elevated
temperatures than the traditional ones is necessary in order to provide an acceptable life
expectancy. High-temperature materials have also occasionally been used in certain parts of
the windings where high temperature has been expected.
Recent temperature measurements by means of fibre-optics have indicated that the hot-spot
temperature may sometimes be higher than predicted, and in certain cases considerably
higher. This has created concern regarding higher rate of ageing than expected. The
measurements have provided knowledge regarding where the hot-spots are situated and
where high-temperature materials might be applied.
High-temperature insulation, from enamel and tape wrap for conductors, to spacer and
mechanical support materials are already used in large power, smaller distribution, mobile,
locomotive and rectifier transformers. Fluids suitable for temperatures higher than that of
conventional mineral insulating oil are also available. For many years, manufacturers have
met the needs of special applications by designing transformers using high-temperature
materials to achieve lighter weight, higher power density or increased life.
The purpose of this technical specification is to provide information on types of available
materials and to draw attention to topics specifically attributed to the higher temperatures.
TS 60076-14 IEC:2004 – 13 –
POWER TRANSFORMERS –
Part 14: Design and application
of liquid-immersed power transformers
using high-temperature insulation materials
1 Scope
This technical specification provides design, testing and loading information for use by both
the manufacturer and user of liquid-immersed power transformers using either high-
temperature insulation or combinations of high-temperature and conventional insulation.
It is applicable to
– power transformers designed in accordance with IEC 60076-1;
– convertor transformers designed to IEC 61378;
– arc furnace transformers,
and covers the use of various liquid and solid insulation combinations.
Whilst standards for traction transformers fall under the authority of IEC Technical
Committee 9, this specification however may be applicable as a guideline for the use of high-
temperature insulation materials in traction transformers.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document.
For dated references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition
of the referenced document (including any amendments) applies.
IEC 60076-1, Power transformers – Part 1: General
IEC 60076-2, Power transformers – Part 2: Temperature rise
IEC 60076-5, Power transformers – Part 5: Ability to withstand short-circuit
IEC 60296, Fluids for electrotechnical applications – Unused mineral insulating oils for
transformers and switchgear
IEC 60317 (all parts), Specifications for particular types of winding wires
IEC 60422, Supervision and maintenance guide for mineral insulating oils in electrical
equipment
IEC 60554-3, Specification for cellulosic papers for electrical purposes – Part 3:
Specifications for individual materials
IEC 60641-3, Specification for pressboard and presspaper for electrical purposes – Part 3:
Specifications for individual materials
TS 60076-14 IEC:2004 – 15 –
IEC 60674-3, Plastic films for electrical purposes – Part 3: Specifications for individual
materials
IEC 60819-3, Non-cellulosic papers for electrical purposes – Part 3: Specifications for
individual materials
IEC 60836, Specifications for silicone liquids for electrical purposes
IEC 60851-4, Winding wires – Test methods – Part 4: Chemical properties
IEC 60867, Specifications for unused liquids based on synthetic aromatic hydrocarbons
IEC 60893-3 (all parts), Insulating materials – Industrial rigid laminated sheets based on
thermosetting resins for electrical purposes
IEC 60944, Guide for the maintenance of silicone transformer liquids
IEC 61099, Specifications for unused synthetic organic esters for electrical purposes
IEC 61100, Classification of insulating liquids according to fire point and net calorific value
IEC 61203, Synthetic organic esters for electrical purposes – Guide for maintenance of
transformer esters in equipment
IEC 61212-3, Industrial rigid round laminated tubes and rods based on thermosetting resins
for electrical purposes – Part 3: Specifications for individual materials
IEC 61378-1, Convertor transformers – Part 1: Transformers for industrial applications
IEC 61378-2, Convertor transformers – Part 2: Transformers for HVDC applications
IEC 61629-1, Aramid pressboard for electrical purposes – Part 1: Definitions, designations
and general requirements
ISO 2592, Determination of flash and fire points – Cleveland open cup method
ISO 2719, Determination of flash-point – Pensky-Martins closed cup
IEEE 62, IEEE Guide for Diagnostic Field Testing of Electric Power Apparatus – Part 1: Oil
Filled Power Transformers, Regulators and Reactors
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the definitions prescribed in IEC 60076-1 and IEC 60076-2
apply with the following additions.
TS 60076-14 IEC:2004 – 17 –
3.1
insulation system
system composed of solid insulating materials and an insulating liquid
3.2
hybrid insulation system
high-temperature solid insulation material adjacent to all winding conductors (including all
conductor insulation, spacers, strips and cylinders in direct contact with the winding) and
cellulose materials in lower temperature areas where thermal class 105 limits are met
3.3
semi-hybrid insulation system
high-temperature materials used only for conductor insulation
3.4
mixed insulation system
high-temperature solid insulation material adjacent to the winding conductors located in the
hotter regions (including all conductor insulation and, if necessary, spacers, strips and
cylinders in direct contact with these conductors) and cellulose materials in the rest of the
winding and other lower temperature areas where thermal class 105 limits are met
3.5
homogeneous insulation system
winding insulation, main insulation and core insulation of the same thermal class having either
conventional or high-temperature class
3.6
high-temperature solid insulation
solid insulation designed to continuously operate at temperatures in excess of thermal
class 105
3.7
high-temperature liquid insulation
liquid dielectric and cooling insulation capable of continuous operation at temperatures above
the capability of transformer mineral insulating oil
3.8
conventional insulation
transformer mineral insulating oil and non-thermally upgraded cellulose insulation
3.9
thermal class
designation of an electrical insulation system (EIS) that is equal to the numerical value of the
maximum use temperature in degrees Celsius (°C) for which the EIS is appropriate
3.10
reference temperature
rated average winding temperature rise plus 20 °C (10 °C for 65 K average winding
temperature rise)
TS 60076-14 IEC:2004 – 19 –
4 Materials
4.1 General
This clause lists many high-temperature electrical insulation materials for reference purposes
only. The appearance of these materials does not imply that any specific combination is
suitable for use in high-temperature liquid-immersed transformer applications.
Common solid materials currently available are listed in Table 1 along with typical parameters
and characteristics, which are necessary for proper evaluation. It is important to note that
design parameters specific to the material selected should be obtained from the manufacturer
of the product. The insulation materials may be conveniently separated into solids, wire
enamels and liquids.
Each material should be evaluated for compatibility with other materials in the system and not
only for thermal capability. It should also be noted that whilst the thermal capability of the
individual materials may be satisfactory, the interaction of these individual elements in the
system might render the system unacceptable.
4.2 Solid insulation
Solid insulation is available in the form of paper, film, sheet and board as well as various
shapes for mechanical applications used within the dielectric structure. Table 1 lists many
readily available materials, along with typical parameters. The table also includes cellulose-
based products for reference purposes, since high-temperature solid insulation is defined
relative to the thermal capability of cellulose. Note that this typical performance information is
based on components tested individually as isolated samples in air. Dielectric and thermal
performance as a system, when immersed in the selected insulating liquid may be
substantially different from the component values and the values associated with
impregnation in a specific liquid.
It should also not be assumed that the system thermal class would necessarily default to the
lowest temperature class of the system’s individual components. On the contrary, the thermal
capability will often favour the highest temperature component. However, the individual
component thermal class should provide guidance in the proper placement of the various
materials within the insulation design.
TS 60076-14 © IEC:2004 – 21 –
Table 1 – Typical properties of solid insulation materials
Material Thermal IEC Relative Dissipation factor Moisture Density Form
class standard permittivity (%) absorption (g/cm )
reference at 25 °C (%)
At 25 °C At 100 °C
Cellulose 105 60554-3 3,3 – 4,1 0,4 1,0 7,0 0,97 – 1,2 Paper
Cellulose 105 60641-3 2,9 – 4,6 0,4 1,0 7,0 0,8 – 1,35 Board
1)
Polyester glass 130 – 200 60893-3 4,8 1,3 – 7,0 N/A 0,2 – 1,1 1,8 – 2,0 Sheet
1)
Polyester glass
130 – 220 61212-3 N/A N/A N/A 0,16 – 0,28 1,8 – 2,0 Shapes
Polyimide
220 60674-3 3,4 0,2 0,2 1,0 – 1,8 1,33 – 1,42 Film
Aramid
220 60819-3 1,6 – 3,2 0,5 0,5 5,0 0,72 – 1,10 Paper
Aramid 220 61629-1 2,6 – 3,5 0,5 0,5 5,0 0,70 – 1,15 Board
NOTE 1 All data has been taken from measurements in air.
NOTE 2 Relative permittivity and dissipation factor data are referenced to 50/60 Hz.
NOTE 3 Moisture data is based on air having a relative humidity of 50 %.
1)
Typically only used in lower voltage applications due to possible air entrapment during the manufacturing process.
TS 60076-14 IEC:2004 – 23 –
4.3 Wire enamel insulation
The list in Table 2 shows a broad range of available insulating enamels used to coat both
round and rectangular copper and aluminium winding wires. Additional information may be
found in the specific applicable parts of the IEC 60317 series. Note that the appearance of a
coating in this list does not imply compatibility with any of the many available dielectric
liquids. Procedures for verifying compatibility with different liquids are defined in IEC 60851-4.
Table 2 – Typical enamels for wire insulation
Common acronym Common name Chemical name Thermal IEC 60317
class applicable part
PVF Polyvinyl formal Polyvinyl acetal 105 1, 17
120 12, 18
UEW 2, 4
Polyurethane Polyurethane 130
155 20, 35
180 51
UEWN
Nylon over Polyurethane with 130 19
polyurethane polyamide overcoat 155 21
PEW
Polyester Polyester 130 34
155 3, 16, 54
PEWN Nylon over polyester Polyester with polyamide 180 22
HPEWN
overcoat
EIW Polyesterimide Polyesterimide 180 8, 15, 23, 28, 36, 37
HPEAIW Polyester polyamide- Polyester polyamide- 200 13, 25, 29, 38
imide imide
EAIW Amide-imide over Polyesterimide with 200 13, 25, 29, 38
polyesterimide polyamide-imide overcoat
Polyamide over Polyesterimide with 180 22
polyesterimide polyamide overcoat
AIW Polyamide-imide Aromatic polyamide-imide 200 26
PIW Polyimide Aromatic polyimide 220 7, 30
The following wire insulations are not defined by IEC standards
Epoxy Epoxy Epoxy 155 N/A
PPSU
Polyphenylsulfone Polyarylethersulfone 155 N/A
PAES
PAS Polyarylsulfone Polyarylsulfone 180 N/A
PEEK Polyarylether- Polyaryletheretherketone 220 N/A
etherketone
NOTE Thermal class in air according to IEC 60317.
TS 60076-14 IEC:2004 – 25 –
4.4 Insulating liquids
Table 3 shows typical performance characteristics of readily available dielectric liquids that
are used in liquid-immersed transformers. Mineral insulating oil, complying with IEC 60296 is
the most common liquid used in transformers and is generally the performance reference to
which all other liquids are compared. This liquid is also the reference for comparing high-
temperature performance.
IEC 61100 provides rules for classifying liquids according to fire point and calorific value.
A fire point greater than 300 °C, as determined according to ISO 2592 classifies the liquid as
Class K. However, neither the flash point nor the fire point defines high-temperature
capability. Sludge development, affinity to moisture and rate of oxidation all affect the thermal
capability of a liquid. The liquid manufacturer should be contacted to determine if a specific
product is suitable for use at higher temperatures than conventional mineral insulating oil,
since it may depend on certain additives that may not be present in all products in the same
generic category.
The maximum operating temperatures listed in Table 3 are provided only as a starting point
for further investigation, since there is no generally accepted procedure for establishing a
thermal index for insulating liquids. These temperatures are estimated or generally accepted
by the industry, but should not be taken as recommendations of this specification.
TS 60076-14 © IEC:2004 – 27 –
Table 3 – Typical properties of insulating liquids
Generic IEC Estimated Flash Fire Water Density Relative Dissipation Kinematic Thermal Specific
3) 3) 4)
name standard maximum point point content at 25°C permit- factor viscosity conductivity heat
3 4) 2
reference operating (°C) (mg/kg) (g/cm tivity at 25 °C (mm at 25 °C at 25 °C
(°C) ) /s)
temperature at 25 °C (%) (W/mK) (J/kg°C)
At 60 °C At 100 °C
(°C)
Mineral insulating oil60296 105 145 160 25 0,88 2,2 0,05 15 2,3 0,12 2 100
1)
Synthetic 60867 ~130 230 250 15 0,83 2,1 0,01 10,1 4,1 0,14 2 100
hydrocarbon
1) 2)
Synthetic ester 61099 ~130 275 310 50 0,97 3,2 0,02 33 5,8 0,16 2 100
1) 2)
Dimethyl silicone 60836 ~155 310 360 50 0,96 2,7 0,01 30 14,3 0,15 1 500
Although the following liquids are used in some transformer applications, they are not yet defined by IEC standards
1)
Synthetic PAO N/A ~130 264 304 15 0,83 2,1 0,01 26,5 8,6 0,13 2 300
hydrocarbon
1)
High molecular N/A ~130 280 312 10 0,87 2,2 0,01 40,3 11,8 0,14 2 100
weight hydrocarbon
1)
Agricultural ester N/A ~130 330 360 50 0,91 3,2 0,05 N/A 9 0,17 2 000
NOTE The values in this table are provided only as a general guide for comparison of the different liquids. For specific physical properties and acceptance limits, refer to
the IEC standard noted for each liquid. Physical properties and acceptance limits for liquids with no IEC document should be verified with the liquid manufacturer.
1)
Estimated or ‘generally accepted’ values are shown for information purposes, since there is no recognized test method for determining a thermal class for insulating
liquids.
2)
Due to the oxygen stability properties and hygroscopic nature of these liquids, the estimated temperature limits only apply to essentially oxygen-free applications where
the oil preservation system effectively prevents the ingress of moisture filled air into the tank.
3)
Cleveland open cup test per ISO 2592. In IEC Technical Committee 10 documents, flash point is determined according to the Pensky-Martins closed cup test per ISO
2719, which generally gives lower values than those shown.
4)
Relative permittivity and dissipation factor data are referenced to 50/60 Hz.
TS 60076-14 IEC:2004 – 29 –
5 Insulation systems
5.1 General
An insulation system used in electrotechnical devices contains one or more solid materials for
insulating the conductive parts and a liquid, for both insulating conductive parts and for heat
transfer and cooling. These insulation materials must withstand electrical, mechanical,
chemical and thermal stresses for the expected life of the device. A procedure for evaluating
a combined solid and liquid insulation system may be found in future IEC 62332.
For thermal stresses, the capability of the insulation material is based on temperature as the
dominating factor. However, the temperature distribution, even in a conventional power
transformer is not homogenous. The liquid temperature can vary for example, between 70 °C
at the bottom of the transformer and 100 °C at the top, when the transformer is at full load.
Correspondingly, the conductors and associated insulating materials will typically reach hot-
spot temperatures 10 °C to 20 °C higher than the surrounding liquid. The remaining insulation
materials will adopt the approximate temperature of the liquid, depending on the height.
Since ageing and lifetime of the insulation system so strongly depend on the temperature,
different combinations of insulating materials may be used in order to optimise the thermal
and economical design of the transformer. The application of insulating materials with
different thermal classes leads to unconventional insulation systems. To obtain optimum value
in the use of these high-temperature insulating materials, it makes sense to match the
material capability to the appropriate application temperature.
Many systems could be identified based on the many multiple combinations of various solid
insulations together with each liquid. However, for communication purposes, four distinct
categories may be defined in general terms. These categories do not include combinations
that use high-temperature materials even though all conventional temperatures are
maintained. IEC 60076-2 and future IEC 60076-7 adequately cover this type of transformer.
TS 60076-14 IEC:2004 – 31 –
5.2 Insulation system types
5.2.1 Homogeneous high-temperature insulation system
Homogeneous insulation systems consist of solid insulation materials and an insulation liquid
of similar thermal capability, either all conventional or all high-temperature. Although the
conventional reference insulation system, defined by IEC 60076-2 and future IEC 60076-7 is a
homogeneous insulation system, the insulation system referred to in this document as
homogeneous contains only high-temperature insulation. Figure 1 illustrates this system with
a large power transformer construction, although layer and foil wound constructions would
also be included for smaller type transformers.
Solid: High-temperature for all windings
Liquid: High-temperature
Temperatures: Higher than conventional temperature rises for liquid and average and hot-spot
winding temperature rises
IEC 1453/04
All insulation parts of same high-temperature thermal class
Figure 1 – Illustration of solid insulation in a homogeneous insulation system
TS 60076-14 IEC:2004 – 33 –
5.2.2 Hybrid insulation system
The hybrid insulation system uses conventional liquid and high-temperature materials
throughout the transformer in the windings, but not necessarily every winding. A layer tertiary
winding, for example, may be composed of conventional materials since it may operate at a
lower temperature than the other windings. Typically the conductor insulation and the radial
and axial spacers separating the coil windings are high-temperature materials. Conventional
cellulose insulation is used in all other areas, such as cylinders and angle rings that operate
at conventional temperatures.
Solid: High-temperature for all insulation in contact with hot conductors
Liquid: Conventional
Temperatures: Conventional temperature rise for liquid and higher than conventional average
and hot-spot temperature rises for some or all windings
Key
IEC 1454/04
1 high-temperature axial spacers against the winding
2 high-temperature radial spacers on top and below the winding
3 high-temperature radial spacers inside the winding
4 high-temperature conductor insulation
5 high-temperature axial spacers inside the winding forming axial cooling ducts
Figure 2 – Illustration of solid insulation in a hybrid insulation system
TS 60076-14 IEC:2004 – 35 –
5.2.3 Semi-hybrid insulation system
The semi-hybrid insulation system uses conventional liquid and high-temperature materials
only for conductor insulation in windings operating above conventional temperatures. All other
materials are of conventional insulation.
Solid: High-temperature for conductor insulation only in some or all windings
Liquid: Conventional
Temperatures: Conventional temperature rise for liquid and higher than conventional average
and hot-spot temperature rises for some or all windings
IEC 1455/04
Key
4 high-temperature conductor insulation
Figure 3 – Illustration of solid insulation in a semi-hybrid insulation system
TS 60076-14 IEC:2004 – 37 –
5.2.4 Mixed insulation system
The mixed insulation system uses high-temperature insulation for certain components or parts
of windings, such as the conductors in regions at temperatures above conventional limits. An
example would be the zones with extra losses and heat dissipation, such as the winding ends,
due to harmonic currents. Another example could be the upper quarter of a winding or
windings. The majority of the solid insulation materials as well as the insulating liquid used in
the transformer are conventional.
Solid: High-temperature to protect against localized heating in specific regions of some
windings
Liquid: Conventional
Temperatures: Conventional temperature rise for liquid and average winding, but higher than
conventional hot-spot temperature rises for some or all windings
IEC 1456/04
Key
2 high-temperature radial spacers on top and below the winding
3 high-temperature radial spacers inside the winding
4 high-temperature conductor insulation in the hottest areas
Figure 4 – Illustration of solid insulation in a mixed insulation system
TS 60076-14 IEC:2004 – 39 –
6 Temperature limits
In most conventional transformers using cellulose and mineral oil, the solid insulation
determines the maximum operating temperature. When high-temperature solid insulation
materials are used with conventional liquid, the insulating liquid will generally become the
limiting factor and will determine the maximum temperature limits. Avoiding overheating of the
insulating liquid becomes the design focus, since the ageing that may take place above a
certain liquid temperature changes many properties of the insulating liquids. An essential
property such as the dielectric strength of the liquid may decline significantly within a
relatively short time, if the temperature is not kept below a certain limit.
Maximum temperature limits for various combinations of solid and liquid insulating materials
are presented in Tables 4 and 5. Additional information may be found in Annex B. These
temperatures are intended to be upper limits and are highly dependant on the specific design
and application. An accurate thermal model verified by adequate test data is required to
determine the actual maximum limits of any specific transformer design. Some of the limiting
factors to be considered in determining these maximum temperatures are:
– free breathing units that introduce moisture and free oxygen into the transformer tank,
which are major contributors to insulation ageing. This ageing is accelerated as the
temperature increases;
– ageing of materials which may introduce moisture and free oxygen inside the transformer
tank;
– velocity of the liquid in the cooling ducts, since long exposure of the liquid to high-
temperature will accelerate degradation;
– accelerated ageing of the liquid and insulating materials due to catalytic action caused by
the presence of bare copper and silver surfaces with generation of by-products, copper
derivatives dissolved in insulating liquids and particles;
– gas bubbles caused by overheated trapped liquid between the winding conductors and the
conductor covering. See Annex A for more general information on bubbling and an
equation for calculating the approximate temperature that bubbling may occur;
– use of high-temperature solid insulation with a thermal class lower than stated in the
tables.
TS 60076-14 IEC:2004 – 41 –
Table 4 – Temperature limits for transformers with mineral insulating liquid
Conventional Mixed Semi-hybrid Hybrid
insulation insulation insulation insulation
1) 3)
system system system system
Minimum high-temperature solid insulation
N/A 130 120 155
thermal class
Top oil temperature rise over ambient
60 60 60 60
temperature (K)
Top oil temperature at maximum ambient
100 100 100 100
(°C)
Average winding temperature rise over
65 65 75 95
ambient temperature (K)
Conventional hot-spot temperature at
118 118 118 118
maximum ambient (°C)
High-temperature insulation hot-spot
N/A 150 130 170
temperature at ma
...
SPÉCIFICATION
CEI
TECHNIQUE
TS 60076-14
Première édition
2004-11
Transformateurs de puissance –
Partie 14:
Conception et application des transformateurs
de puissance immergés dans du liquide utilisant
des matériaux isolants haute température
Cette version française découle de la publication d’origine
bilingue dont les pages anglaises ont été supprimées.
Les numéros de page manquants sont ceux des pages
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Numéro de référence
CEI/TS 60076-14:2004(F)
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Depuis le 1er janvier 1997, les publications de la CEI sont numérotées à partir de
60000. Ainsi, la CEI 34-1 devient la CEI 60034-1.
Editions consolidées
Les versions consolidées de certaines publications de la CEI incorporant les
amendements sont disponibles. Par exemple, les numéros d’édition 1.0, 1.1 et 1.2
indiquent respectivement la publication de base, la publication de base incorporant
l’amendement 1, et la publication de base incorporant les amendements 1 et 2
Informations supplémentaires sur les publications de la CEI
Le contenu technique des publications de la CEI est constamment revu par la CEI
afin qu'il reflète l'état actuel de la technique. Des renseignements relatifs à cette
publication, y compris sa validité, sont disponibles dans le Catalogue des
publications de la CEI (voir ci-dessous) en plus des nouvelles éditions, amende-
ments et corrigenda. Des informations sur les sujets à l’étude et l’avancement des
travaux entrepris par le comité d’études qui a élaboré cette publication, ainsi que la
liste des publications parues, sont également disponibles par l’intermédiaire de:
• Site web de la CEI (www.iec.ch)
• Catalogue des publications de la CEI
Le catalogue en ligne sur le site web de la CEI (www.iec.ch/searchpub) vous permet
de faire des recherches en utilisant de nombreux critères, comprenant des
recherches textuelles, par comité d’études ou date de publication. Des informations
en ligne sont également disponibles sur les nouvelles publications, les publications
remplacées ou retirées, ainsi que sur les corrigenda.
• IEC Just Published
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SPÉCIFICATION
CEI
TECHNIQUE
TS 60076-14
Première édition
2004-11
Transformateurs de puissance –
Partie 14:
Conception et application des transformateurs
de puissance immergés dans du liquide utilisant
des matériaux isolants haute température
IEC 2004 Droits de reproduction réservés
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procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l'accord écrit de l'éditeur.
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W
Commission Electrotechnique Internationale
International Electrotechnical Commission
МеждународнаяЭлектротехническаяКомиссия
Pour prix, voir catalogue en vigueur
– 2 – TS 60076-14 CEI:2004
SOMMAIRE
AVANT-PROPOS.6
INTRODUCTION.10
1 Domaine d'application .12
2 Références normatives.12
3 Termes et définitions .14
4 Matériaux .18
4.1 Généralités.18
4.2 Isolation solide.18
4.3 Emaux pour isolation de fils.22
4.4 Liquides isolants .24
5 Systèmes d'isolation.28
5.1 Généralités.28
5.2 Types de système d'isolation.30
6 Limites de température.38
7 Accessoires de transformateur et compatibilité.42
7.1 Généralités.42
7.2 Traversées .42
7.3 Changeur de prise.42
7.4 Matériau de garniture .42
7.5 Peinture du réservoir .42
7.6 Refroidisseurs .42
7.7 Pompes.44
7.8 Conservateur.44
7.9 Adhésifs .44
7.10 Transformateurs de courant .44
7.11 Thermomètres et indicateurs de température.44
7.12 Relais Buchholz .44
8 Considérations de conception particulières.44
8.1 Considérations de court-circuit .44
8.2 Prescriptions diélectriques .46
8.3 Exigences relatives à la température.46
8.4 Surcharge .50
8.5 Effets des courants harmoniques.50
8.6 Système de conservation d'huile .50
9 Informations requises .50
9.1 Informations à fournir par l'acheteur .50
9.2 Informations à fournir par le constructeur .52
10 Plaque signalétique et informations supplémentaires.52
10.1 Plaque signalétique .52
10.2 Manuel du transformateur.54
– 4 – TS 60076-14 CEI:2004
11 Essais .54
11.1 Généralités.54
11.2 Prescriptions générales pour les essais individuels, les essais de type et les
essais spéciaux.54
11.3 Essai d'échauffement .54
11.4 Essais de type diélectrique.58
12 Surveillance, diagnostics et maintenance .58
12.1 Introduction .58
12.2 Transformateurs remplis d’huile minérale isolante .58
12.3 Transformateurs remplis de liquides isolants à haute température.60
Annexe A (informative) Calcul de la température de génération de bulles .62
Annexe B (informative) Evolution des températures de transformateur pour les
Tableaux 4 et 5.72
Bibliographie.74
Figure 1 – Illustration de l’isolation solide dans un système d'isolation homogène .30
Figure 2 – Illustration de l’isolation solide dans un système à isolation hybride.32
Figure 3 – Illustration de l’isolation solide dans un système à isolation semi-hybride .34
Figure 4 – Illustration de l’isolation solide dans un système d'isolation mélangé .36
Figure 5 – Gradient thermique du conducteur au liquide .48
Figure 6 – Schéma de température modifié pour les enroulements avec système
d'isolation mixte .56
Figure A.1 – Diagramme de température d'évolution des bulles .64
Figure A.2 – Courbes d'équilibre d'humidité pour cellulose et huile minérale.66
Figure A.3 – Courbes d'équilibre d'humidité logarithmiques pour cellulose et huile
minérale .68
Figure A.4 – Teneur en eau du papier par rapport à la température d'évolution des bulles
pour les paramètres de l'exemple .70
Tableau 1 – Propriétés typiques de matériaux isolants solides.20
Tableau 2 – Emaux typiques pour isolation de fils.22
Tableau 3 – Propriétés typiques des liquides isolants .26
Tableau 4 – Limites de température pour transformateurs avec liquide isolant minéral .40
Tableau 5 – Limites de température pour transformateurs avec liquides haute
température .40
– 6 – TS 60076-14 CEI:2004
COMMISSION ÉLECTROTECHNIQUE INTERNATIONALE
____________
TRANSFORMATEURS DE PUISSANCE –
Partie 14: Conception et application
des transformateurs de puissance immergés dans du liquide
utilisant des matériaux isolants haute température
AVANT-PROPOS
1) La Commission Electrotechnique Internationale (CEI) est une organisation mondiale de normalisation
composée de l'ensemble des comités électrotechniques nationaux (Comités nationaux de la CEI). La CEI a
pour objet de favoriser la coopération internationale pour toutes les questions de normalisation dans les
domaines de l'électricité et de l'électronique. A cet effet, la CEI – entre autres activités – publie des Normes
internationales, des Spécifications techniques, des Rapports techniques, des Spécifications accessibles au
public (PAS) et des Guides (ci-après dénommés "Publication(s) de la CEI"). Leur élaboration est confiée à des
comités d'études, aux travaux desquels tout Comité national intéressé par le sujet traité peut participer. Les
organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec la CEI, participent
également aux travaux. La CEI collabore étroitement avec l'Organisation Internationale de Normalisation (ISO),
selon des conditions fixées par accord entre les deux organisations.
2) Les décisions ou accords officiels de la CEI concernant les questions techniques représentent, dans la mesure
du possible, un accord international sur les sujets étudiés, étant donné que les Comités nationaux de la CEI
intéressés sont représentés dans chaque comité d’études.
3) Les Publications de la CEI se présentent sous la forme de recommandations internationales et sont agréées
comme telles par les Comités nationaux de la CEI. Tous les efforts raisonnables sont entrepris afin que la CEI
s'assure de l'exactitude du contenu technique de ses publications; la CEI ne peut pas être tenue responsable
de l'éventuelle mauvaise utilisation ou interprétation qui en est faite par un quelconque utilisateur final.
4) Dans le but d'encourager l'uniformité internationale, les Comités nationaux de la CEI s'engagent, dans toute la
mesure possible, à appliquer de façon transparente les Publications de la CEI dans leurs publications
nationales et régionales. Toutes divergences entre toutes Publications de la CEI et toutes publications
nationales ou régionales correspondantes doivent être indiquées en termes clairs dans ces dernières.
5) La CEI n’a prévu aucune procédure de marquage valant indication d’approbation et n'engage pas sa
responsabilité pour les équipements déclarés conformes à une de ses Publications.
6) Tous les utilisateurs doivent s'assurer qu'ils sont en possession de la dernière édition de cette publication.
7) Aucune responsabilité ne doit être imputée à la CEI, à ses administrateurs, employés, auxiliaires ou
mandataires, y compris ses experts particuliers et les membres de ses comités d'études et des Comités
nationaux de la CEI, pour tout préjudice causé en cas de dommages corporels et matériels, ou de tout autre
dommage de quelque nature que ce soit, directe ou indirecte, ou pour supporter les coûts (y compris les frais
de justice) et les dépenses découlant de la publication ou de l'utilisation de cette Publication de la CEI ou de
toute autre Publication de la CEI, ou au crédit qui lui est accordé.
8) L'attention est attirée sur les références normatives citées dans cette publication. L'utilisation de publications
référencées est obligatoire pour une application correcte de la présente publication.
9) L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments de la présente Publication de la CEI peuvent faire
l’objet de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. La CEI ne saurait être tenue pour
responsable de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et de ne pas avoir signalé leur existence.
La tâche principale des comités d'études de la CEI est d'établir des Normes Internationales.
Dans des circonstances exceptionnelles, un comité d’études peut proposer la publication
d’une spécification technique lorsque
• le soutien nécessaire ne peut pas être obtenu pour la publication d’une norme
internationale, en dépit d’efforts répétés, ou
• Le sujet en encore en évolution d’un point de vue technique ou, pour toute autre raison, il
existe une possibilité dans l’avenir mais pas dans l’immédiat pour un accord sur une
norme internationale.
Les spécifications techniques sont révisées dans les trois années qui suivent leur publication
pour décider si elles peuvent être transformées en normes internationales.
– 8 – TS 60076-14 CEI:2004
La CEI 60076-14, qui est une spécification technique, a été établie par le comité 14 de la CEI:
Transformateurs de puissance.
Le texte de cette spécification technique est issu des documents suivants:
Projet d'enquête Rapport de vote
14/468/DTS 14/482/RVC
Le rapport de vote indiqué dans le tableau ci-dessus donne toute information sur le vote ayant
abouti à l'approbation de cette spécification technique.
Cette publication a été rédigée selon les Directives ISO/CEI, Partie 2.
La CEI 60076 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Transfor-
mateurs de puissance
Partie 1: Généralités
Partie 2: Echauffement
Partie 3: Niveaux d’isolement, essais diélectriques et distances d’isolement dans l’air
Partie 4: Guide pour les essais au choc de foudre et au choc de manœuvre –
Transformateurs de puissance et bobines d’inductance
Partie 5: Tenue au court-circuit
Partie 8: Guide d’application
Partie 10: Détermination des niveaux de bruit
Partie 11: Transformateurs de type sec
Partie 14: Conception et application des transformateurs de puissance immergés dans du
liquide utilisant des matériaux isolants haute température
Le comité a décidé que le contenu de cette publication ne sera pas modifié avant la date de
maintenance indiquée sur le site web de la CEI sous «http://webstore.iec.ch» dans les
données relatives à la publication recherchée. A cette date, la publication sera
• transformée en Norme internationale;
• reconduite;
• supprimée;
• remplacée par une édition révisée, ou
• amendée.
– 10 – TS 60076-14 CEI:2004
INTRODUCTION
Les conducteurs d'enroulement des transformateurs immergés dans du liquide ont été dans le
passé isolés par du papier cellulosique ou par de l’émail. Des produits en cellulose ont
également constitué des matériaux isolants. Dans la plupart des cas, le liquide isolant était de
l’huile minérale isolante. Ces matériaux sont toujours prédominants.
L'échauffement moyen des enroulements a été limité pendant plusieurs dizaines d’années à
65/70 K et l'échauffement de l'huile maximal à 60 K, comme spécifié dans la CEI 60076-2.
La plupart de l’expérience accumulée en matière de transformateurs en service est basée sur
ces matériaux et ces limites de température. Dans certains cas, les limitations d'espace ou de
masse exigent du concepteur de réduire les dimensions du transformateur avec, en
conséquence, des échauffements plus élevés. L'application de matériaux (tant solides que
liquides) avec de meilleures propriétés de vieillissement à des températures supérieures à
celles des températures traditionnelles est nécessaire pour assurer une espérance de vie
acceptable. Des matériaux haute température ont de temps à autre été utilisés dans certaines
parties des enroulements là où l’on avait prévu une température élevée.
Des mesures de température récentes au moyen de fibres optiques ont indiqué que la
température du point chaud peut parfois être supérieure à celle qui est prédite, et dans
certains cas considérablement plus élevée. Cela a engendré des préoccupations en ce qui
concerne le taux de vieillissement plus élevé que prévu. Les mesures ont indiqué l'emplace-
ment des points chauds, ainsi que celui de l'application de matériaux haute température.
Une isolation haute température, d'émail et de rubanage pour les conducteurs, à l'entretoise
et aux matériaux de support mécanique est déjà utilisé dans les grands transformateurs de
puissance, les petits transformateurs de puissance, les transformateurs mobiles, les
transformateurs de locomotives et les transformateurs redresseurs. Des fluides appropriés
pour des températures supérieures à celles de l'huile minérale isolante traditionnelle sont
également disponibles. Pendant de nombreuses années, les constructeurs ont répondu aux
besoins d'applications spéciales en construisant des transformateurs avec des matériaux
haute température afin d’obtenir un poids réduit, une densité de puissance supérieure ou une
durée de vie accrue.
L'objet de la présente spécification technique est de fournir des informations sur les types de
matériaux disponibles et d'attirer l'attention sur les matières spécifiquement attribuées aux
températures supérieures.
– 12 – TS 60076-14 CEI:2004
TRANSFORMATEURS DE PUISSANCE –
Partie 14: Conception et application
des transformateurs de puissance immergés dans du liquide
utilisant des matériaux isolants haute température
1 Domaine d'application
La présente spécification technique fournit des informations pour la spécification, l’étude, les
essais et le chargement à utiliser tant par le constructeur que par l'utilisateur de transfor-
mateurs de puissance immergés dans du liquide utilisant une isolation haute température ou
des combinaisons d'isolation haute température et traditionnelle.
Elle s'applique aux:
– transformateurs de puissance conçus conformément à la CEI 60076-1;
– transformateurs de conversion conçus conformément à la CEI 61378;
– transformateurs de four à arc,
et elle traite de l'utilisation de différentes combinaisons d'isolants liquides et solides.
Les normes des transformateurs de traction relèvent du comité d’études 9 de la CEI, mais
cette spécification technique peut toutefois s'appliquer à titre de guide pour l'utilisation de
matériaux isolants haute température dans les transformateurs de traction.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent
document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références
non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
CEI 60076-1, Transformateurs de puissance – Partie 1: Généralités
CEI 60076-2, Transformateurs de puissance – Partie 2: Echauffement
CEI 60076-5, Transformateurs de puissance – Partie 5: Tenue au court-circuit
CEI 60296, Spécification des huiles minérales isolantes neuves pour transformateurs et
appareillage de connexion
CEI 60317 (toutes les parties), Spécifications pour types particuliers de fils de bobinage
CEI 60422, Guide de maintenance et de surveillance des huiles minérales isolantes en
service dans les matériels électriques
CEI 60554-3, Spécification pour papiers cellulosiques à usages électriques – Partie 3:
Spécifications pour matériaux particuliers
CEI 60641-3, Spécification pour le carton comprimé et le papier comprimé à usages
électriques – Partie 3: Spécifications pour matériaux particuliers
– 14 – TS 60076-14 CEI:2004
CEI 60674-3, Spécification pour les films en matière plastique à usages électriques – Partie 3:
Spécifications pour matériaux particuliers
CEI 60819-3, Spécification pour papiers non cellulosiques à usages électriques – Partie 3:
Spécifications pour matériaux particuliers
CEI 60836, Spécifications pour liquides silicones pour usages électriques
CEI 60851-4, Fils de bobinage – Méthodes d'essai – Partie 4: Propriétés chimiques
CEI 60867, Isolants liquides – Spécifications pour liquides neufs à base d'hydrocarbures
aromatiques de synthèse
CEI 60893-3 (toutes les parties), Spécifications pour les stratifiés industriels rigides en
planches à base de résines thermodurcissables à usages électriques – Spécifications pour
matériaux particuliers
CEI 60944, Guide de maintenance des liquides silicones pour transformateurs
CEI 61099, Spécifications pour esters organiques de synthèse neufs à usages électriques
CEI 61100, Classification des isolants liquides selon le point de feu et le pouvoir calorifique
inférieur
CEI 61203, Esters organiques de synthèse à usages électriques – Guide de maintenance des
esters pour transformateurs dans les matériels
CEI 61212-3, Tubes et barres industriels, rigides, ronds, stratifiés, à base de résines
thermodurcissables à usages électriques – Partie 3: Spécifications pour matériaux particuliers
CEI 61378-1, Transformateurs de conversion – Partie 1: Transformateurs pour applications
industrielles
CEI 61378-2, Transformateurs de conversion – Partie 2: Transformateurs pour applications
CCHT
CEI 61629-1, Carton comprimé aramide à usages électriques – Partie 1: Définitions,
désignations et prescriptions générales
ISO 2592, Produits pétroliers – Détermination des points d'éclair et de feu – Méthode
Cleveland en vase ouvert
ISO 2719, Produits pétroliers – Détermination du point d'éclair – Méthode Pensky-Martens en
vase clos
IEEE 62, IEEE Guide for Diagnostic Field Testing of Electric Power Apparatus – Part 1: Oil
Filled Power Transformers, Regulators and Reactors
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans la CEI 60076-1
et la CEI 60076-2, ainsi que les définitions suivantes s’appliquent.
– 16 – TS 60076-14 CEI:2004
3.1
système d'isolation
système composé de matériaux isolants solides et de liquide isolant
3.2
système à isolation hybride
matériau isolant solide haute température à proximité de tous les conducteurs d'enroulement
(y compris toute isolation de conducteur, les entretoises, bandes et cylindres en contact direct
avec l'enroulement) et matériaux en cellulose dans des zones à basse température où les
limites de la classe thermique 105 sont respectées
3.3
système à isolation semi-hybride
matériaux haute température utilisés uniquement pour l'isolant du conducteur
3.4
isolation mixte
matériau isolant solide de haute température à proximité de tous les conducteurs
d'enroulement situés dans des régions plus chaudes (y compris toute isolation de conducteur
et, si nécessaire, les entretoises, les bandes et les cylindres en contact direct avec ces
conducteurs) et les matériaux en cellulose dans le reste de l’enroulement et autres zones à
basse température où les limites 105 de la classe thermique sont respectées
3.5
isolation homogène
isolation d'enroulement, isolation principale et isolation de noyau de la même classe
thermique qui peut être une classe traditionnelle ou une classe haute température
3.6
isolation solide haute température
isolation solide prévue pour fonctionner en permanence à des températures supérieures à
celles de la classe thermique 105
3.7
isolation liquide haute température
isolation liquide de refroidissement et diélectrique assurant un fonctionnement continu à des
températures supérieures à celles de la capacité de l'huile minérale isolante de transfor-
mateur
3.8
isolation traditionnelle
huile minérale isolante de transformateur et isolation cellulosique améliorée sans traitement
thermique
3.9
classe thermique
désignation d'un système d'isolation électrique (EIS) égal à la valeur numérique de la
température de service maximale en degrés Celsius (°C) pour laquelle l'EIS est adapté
3.10
température de référence
échauffement de la température d'enroulement moyenne assignée plus 20 °C (10 °C pour un
échauffement d'enroulement moyen de 65 K)
– 18 – TS 60076-14 CEI:2004
4 Matériaux
4.1 Généralités
Cet article indique un nombre de matériaux isolants électriques haute température
uniquement à titre de référence. L'inclusion de ces matériaux n'implique pas l'adéquation
d'une combinaison spécifique en vue d'utilisation dans des applications de transformateurs
haute température immergés dans du liquide.
Les matériaux solides actuellement disponibles sont répertoriés au Tableau 1 avec des
paramètres et des caractéristiques typiques nécessaires pour assurer une évaluation
appropriée. Il est important de noter qu'il convient d'obtenir les paramètres théoriques
spécifiques pour le matériau sélectionné auprès du constructeur du produit en question. Les
matériaux isolants peuvent être convenablement séparés en matériaux solides, liquides et
émaux pour fils selon les besoins.
Il convient d'évaluer la compatibilité de chaque matériau par rapport aux autres matériaux du
système et non uniquement sa capacité thermique. Il convient également de noter que la
capacité thermique de matériaux individuels peut s'avérer satisfaisante, mais que l'interaction
des éléments individuels du système risque de rendre le système inacceptable.
4.2 Isolation solide
L'isolation solide est disponible sous forme de papier, de film, de feuille et de carton et en
différentes formes selon les applications mécaniques utilisées dans la structure diélectrique.
Le Tableau 1 énumère les matériaux facilement disponibles, ainsi que les paramètres
typiques. Le tableau comprend également les produits basés sur la cellulose à titre de
référence, dans la mesure où l'isolation solide haute température est définie par rapport à la
capacité thermique de la cellulose. Noter que ces informations de performance typique sont
basées sur les composants testés individuellement en tant qu'échantillons isolés dans l'air. La
performance diélectrique et thermique en tant que système, lors de l'immersion dans le
liquide isolant sélectionné peut être nettement différente des valeurs des composants et de
celles en rapport avec l'imprégnation dans un liquide spécifique.
Il ne faut pas non plus supposer que la classe thermique du système passera automatique-
ment par défaut à la classe de température la plus basse des composants individuels du
système. Au contraire, la capacité thermique privilégiera souvent le composant de tempé-
rature la plus élevée. Toutefois, il est recommandé que la classe thermique de composant
individuel fournisse un guide approprié pour la mise en place correcte des différents
matériaux dans la conception de l’isolation.
– 20 – TS 60076-14 © CEI 2004
Tableau 1 – Propriétés typiques de matériaux isolants solides
Matériau Classe Référence Permittivité Facteur de dissipation Absorption Densité Forme
thermique de la norme relative (%) d’humidité (g/cm )
CEI à 25 °C (%)
à 25 °C à 100 °C
Cellulose
105 60554-3 3,3 – 4,1 0,4 1,0 7,0 0,97 – 1,2 Papier
Cellulose 105 60641-3 2,9 – 4,6 0,4 1,0 7,0 0,8 – 1,35 Carton
1)
Polyester de verre 130 – 200 60893-3 4,8 1,3 – 7,0 N/A 0,2 – 1,1 1,8 – 2,0 Feuille
1)
Polyester de verre
130 – 220 61212-3 N/A N/A N/A 0,16 – 0,28 1,8 – 2,0 Formes
Polyimide 220 60674-3 3,4 0,2 0,2 1,0 – 1,8 1,33 – 1,42 Film
Aramide 220 60819-3 1,6 – 3,2 0,5 0,5 5,0 0,72 – 1,10 Papier
Aramide
220 61629-1 2,6 – 3,5 0,5 0,5 5,0 0,70 – 1,15 Carton
NOTE 1 Toutes les données proviennent de mesures prises dans l'air.
NOTE 2 Les données de permittivité relative et du facteur de dissipation sont référencées à 50/60 Hz.
NOTE 3 Les données d'humidité sont basées sur un air d'humidité relative de 50 %.
1)
Typiquement uniquement utilisé dans des applications basse tension par suite de l'air éventuellement emprisonné pendant le processus de fabrication.
– 22 – TS 60076-14 CEI:2004
4.3 Emaux pour isolation de fils
La liste du Tableau 2 indique une large gamme d'émaux isolants disponibles utilisés pour
revêtir les fils de bobinage tant ronds que rectangulaires en cuivre et en aluminium. Des
informations complémentaires peuvent être trouvées dans les parties applicables spécifiques
de la série CEI 60317. Il y a lieu de noter que l'inclusion d'un revêtement dans cette liste
n'implique pas la compatibilité avec aucun des nombreux liquides diélectriques disponibles.
Les procédures pour vérifier la compatibilité avec différents liquides sont définies dans la
CEI 60851-4.
Tableau 2 – Emaux typiques pour isolation de fils
Acronyme commun Nom commun Nom chimique Classe Partie applicable
thermique de la CEI 60317
PVF
Formol de polyvinyle Acétal de polyvinyle 105 1, 17
120 12, 18
UEW
Polyuréthane Polyuréthane 130 2, 4
155 20, 35
180 51
UEWN
Nylon sur polyuréthane Polyuréthane avec 130 19
revêtement de polyamide 155 21
PEW Polyester Polyester 130 34
155 3, 16, 54
PEWN Nylon sur polyester Polyester avec 180 22
HPEWN
revêtement de polyamide
EIW Polyestérimide Polyestérimide 180 8, 15, 23, 28, 36, 37
HPEAIW Polyamideimide de Polyamideimide de 200 13, 25, 29, 38
polyester polyester
EAIW Amide-imide sur Polyestérimide avec 200 13, 25, 29, 38
polyestérimide revêtement de
polyamideimide
Polyamide sur Polyestérimide avec 180 22
polyestérimide revêtement de polyamide
AIW Polyamideimide Polyamideimide 200 26
aromatique
PIW Polyimide Polyimide aromatique 220 7, 30
Les isolations de fils suivantes ne sont pas définies par les normes CEI
Epoxy Epoxy Epoxy 155 N/A
PPSU Polyphénylsulfone Polyaryléthersulfone 155 N/A
PAES
PAS Polyarylsulfone Polyarylsulfone 180 N/A
PEEK Polyaryléther- Polyarylétherethercétone 220 N/A
éthercétone
NOTE Classe thermique à l'air conformément à la CEI 60317.
– 24 – TS 60076-14 CEI:2004
4.4 Liquides isolants
Le Tableau 3 indique les caractéristiques de performance typiques des liquides diélectriques
facilement disponibles qui sont utilisés dans les transformateurs immergés dans du liquide.
L’huile minérale isolante, conforme à la CEI 60296 est le liquide le plus commun utilisé dans
les transformateurs et il est généralement la référence de performance à laquelle tous les
autres liquides sont comparés. Ce liquide est également la référence pour comparer la
performance à haute température.
La CEI 61100 fournit des règles pour le classement des liquides selon le point de feu et le
pouvoir calorifique. Un point de feu supérieur à 300 °C, comme déterminé selon l’ISO 2592
classe le liquide dans la Classe K. Cependant, ni le point éclair ni le point de feu ne définit
des possibilités à haute température. Le développement de boue, l’affinité à l'humidité ainsi
que le taux d'oxydation affectent les possibilités thermiques d'un liquide. Il convient de
contacter le fabricant du liquide pour déterminer si un produit spécifique convient pour une
utilisation à des températures plus élevées que l'huile isolante minérale conventionnelle, dans
la mesure où il peut dépendre de certains additifs qui peuvent ne pas être présents dans tous
les produits dans la même catégorie générique.
Les températures de fonctionnement maximales énumérées dans le Tableau 3 sont fournies
uniquement comme un point de départ pour d’autres études, dans la mesure où il n’existe
aucune procédure généralement reconnue pour établir un indice thermique pour les liquides
isolants. Ces températures sont estimées ou généralement acceptées par l'industrie, mais il
convient de ne pas les prendre comme des recommandations de cette spécification
technique.
– 26 – TS 60076-14 © CEI:2004
Tableau 3 – Propriétés typiques des liquides isolants
Nom Référence Température Point Point Teneur Densité à Permit- Facteur de Viscosité Conductivité Chaleur
3)
générique de la de service d'éclair de feu en eau 25° C tivité dissipation cinématique thermique à massique
3) 3 4) 4) 2
norme CEI maximale (°C) (mg/kg) (g/cm ) relative (mm /s) 25 °C à 25 °C
estimée (°C) à 25 °C à 25 °C (W/mK) (J/kg°C)
à 60 °C à 100 °C
(°C) (%)
Huile minérale 60296 105 145 160 25 0,88 2,2 0,05 15 2,3 0,12 2 100
isolante
1)
Hydrocarbure 60867 ~130 230 250 15 0,83 2,1 0,01 10,1 4,1 0,14 2 100
synthétique
1) 2)
Ester synthétique 61099 ~130 275 310 50 0,97 3,2 0,02 33 5,8 0,16 2 100
1) 2)
Silicone diméthyl
60836 ~155 310 360 50 0,96 2,7 0,01 30 14,3 0,15 1 500
Bien que les liquides suivants soient utilisés dans certaines applications de transformateur, ils ne sont pas encore définis par les normes CEI
1)
Hydrocarbure N/A ~130 264 304 15 0,83 2,1 0,01 26,5 8,6 0,13 2 300
synthétique PAO
1)
Hydrocarbure à N/A ~130 280 312 10 0,87 2,2 0,01 40,3 11,8 0,14 2 100
poids moléculaire
élevé
1)
Ester agricole N/A ~130 330 360 50 0,91 3,2 0,05 N/A 9 0,17 2 000
NOTE Les valeurs de ce tableau sont uniquement fournies en tant que guide général pour la comparaison des différents liquides. Pour les propriétés physiques et les
limites d'acceptation des liquides, se reporter à la norme CEI indiquée pour chaque liquide. Il convient de vérifier les propriétés physiques et les limites d'acceptation des
liquides ne disposant pas de document CEI auprès du fabricant du liquide.
1)
Les valeurs estimées ou « généralement acceptées » sont uniquement données à titre d'information, car il n'existe pas de méthode d'essai reconnue pour déterminer la
classe thermique des liquides isolants.
2)
En raison des propriétés de stabilité de l'oxygène et de la nature hygroscopique de ces liquides, les limites estimées de la température s'appliquent seulement aux
applications essentiellement en l'absence d'oxygène où le système de conservation d'huile empêche efficacement la pénétration d'air remplie d'humidité dans le
réservoir.
3)
Essai Cleveland en vase ouvert selon l’ISO 2592. Dans les documents du Comité d'Etudes 10 de la CEI, le point d'éclair est déterminé conformément à l'essai Pensky-
Martins en vase clos selon l'ISO 2719, qui donne généralement des valeurs inférieures à celles qui sont indiquées.
4)
Les données concernant la permittivité relative et le facteur de dissipation sont référencées à 50/60 Hz.
– 28 – TS 60076-14 CEI:2004
5 Systèmes d'isolation
5.1 Généralités
Un système d'isolation utilisé dans les dispositifs électrotechniques contient un ou plusieurs
matériaux solides pour isoler les parties conductrices et un liquide pour à la fois l'isolation des
parties conductrices et pour le transfert de chaleur et le refroidissement. Ces matériaux
isolants doivent résister aux contraintes électriques, mécaniques, chimiques et thermiques
pour la durée de vie prévue du dispositif. On trouvera une procédure d'évaluation d'un
système d'isolation solide et liquide combiné dans la future CEI 62332.
Dans le cas des contraintes thermiques, la capacité du matériau isolant est basée sur la
température qui constitue le facteur dominant. La répartition de température n'est toutefois
pas homogène, même dans un transformateur de puissance traditionnelle. Par exemple, la
température du liquide peut varier entre 70 °C en bas du transformateur et 100 °C en haut,
lorsque la charge du transformateur est maximale. En conséquence, les conducteurs et les
matériaux isolants associés atteindront des températures de point chaud typiques de 10 °C à
20 °C au-dessus du liquide environnant. Les matériaux isolants restants prendront la
température approximative du liquide en fonction de la hauteur.
Le vieillissement et la durée de vie du système d'isolation dépendent en grande partie de la
température et, par suite, différentes combinaisons de matériaux isolants peuvent être
utilisées pour optimiser la construction thermique et économique du transformateur.
L'application de matériaux isolants de différentes classes thermiques conduit à des systèmes
d'isolation non traditionnelles. Il est donc utile d'adapter la capacité matérielle à la
température d'application appropriée pour obtenir une valeur optimale en matière d'utilisation
de ces matériaux isolants haute température.
De nombreux systèmes pourraient être identifiés sur la base de différentes combinaisons
multiples de différentes isolations solides avec chaque liquide. Il est toutefois possible de
définir, en termes généraux, quatre catégories distinctes en vue de communication. Ces
catégories ne comprennent pas les combinaisons utilisant des matériaux haute température,
bien que toutes les températures traditionnelles soient maintenues. La CEI 60076-2 et la
future CEI 60076-7 traitent de ce type de transformateur de manière appropriée.
– 30 – TS 60076-14 CEI:2004
5.2 Types de système d'isolation
5.2.1 Système d'isolation à haute température homogène
Les systèmes d'isolation homogène se composent de matériaux isolants solides et d'un
liquide isolant de capacité thermique semblable, soit tout conventionnel soit tout à haute
température. Bien que le système d'isolation de référence traditionnel défini par la CEI 60076-2
et la future CEI 60076-7 est un système d'isolation homogène, le système d'isolation cité dans
le présent document comme étant homogène contient uniquement de l’isolant haute
température. La Figure 1 illustre ce système avec la construction d’un grand transformateur
de puissance, bien que les constructions de couche et de feuille enroulée seraient également
incluses pour de plus petits transformateurs.
Solide: Haute température pour tous les enroulements
Liquide: Haute température
Températures: Supérieure aux échauffements habituels pour les échauffements liquide et
moyen et du point chaud d'enroulement.
IEC 1453/04
Toutes les parties d'isolation de même classe thermique haute température
Figure 1 – Illustration de l’isolation solide dans un système d'isolation homogène
– 32 – TS 60076-14 CEI:2004
5.2.2 Système à isolation hybride
Le système à isolation hybride utilise du liquide traditionnel et des matériaux haute
température à travers le transformateur dans les enroulements, mais pas nécessairement
dans chaque enroulement. Par exemple, un enroulement de couche tertiaire peut être
composé de matériaux traditionnels, dans la mesure où il peut fonctionner à une température
inférieure à celle des autres enroulements. Dans le cas général, l'isolant du conducteur et les
entretoises radiales et axiales qui séparent les enroulements de bobine sont des matériaux
haute température. L'isolation cellulosique traditionnelle est utilisée dans toutes les autres
zones, comme par exemple les cylindres et les bagues d'épaulement qui fonctionnent à des
températures conventionnelles.
Solide: Haute température pour toute isolation en contact avec des conducteurs chauds
Liquide: Conventionnel
Températures: Echauffement habituel pour le liquide et supérieur aux échauffements
conventionnels moyens et du point chaud pour certains ou pour tous les enroulements
IEC 1454/04
Légende
1 entretoises axiales haute température contre l'enroulement
2 entretoises radiales haute température au-dessus et en dessous de l'enroulement
3 entretoises radiales haute température à l'intérieur de l'enroulement
4 isolant du conducteur haute température
5 entretoises axiales haute température à l'intérieur de l'enroulement constituant les conduites de refroidissement
axiales
Figure 2 – Illustration de l’isolation solide dans un système à isolation hybride
– 34 – TS 60076-14 CEI:2004
5.2.3 Système à isolation semi-hybride
Le système à isolation semi-hybride utilise un liquide traditio
...
SPÉCIFICATION CEI
TECHNIQUE
IEC
TS 60076-14
TECHNICAL
Première édition
SPECIFICATION
First edition
2004-11
Transformateurs de puissance –
Partie 14:
Conception et application des transformateurs
de puissance immergés dans du liquide utilisant
des matériaux isolants haute température
Power transformers –
Part 14:
Design and application of liquid-immersed
power transformers using high-temperature
insulation materials
Numéro de référence
Reference number
CEI/IEC/TS 60076-14:2004
Numérotation des publications Publication numbering
Depuis le 1er janvier 1997, les publications de la CEI As from 1 January 1997 all IEC publications are
sont numérotées à partir de 60000. Ainsi, la CEI 34-1 issued with a designation in the 60000 series. For
devient la CEI 60034-1. example, IEC 34-1 is now referred to as IEC 60034-1.
Editions consolidées Consolidated editions
Les versions consolidées de certaines publications de la The IEC is now publishing consolidated versions of its
CEI incorporant les amendements sont disponibles. Par publications. For example, edition numbers 1.0, 1.1
exemple, les numéros d’édition 1.0, 1.1 et 1.2 indiquent and 1.2 refer, respectively, to the base publication,
respectivement la publication de base, la publication de the base publication incorporating amendment 1 and
base incorporant l’amendement 1, et la publication de the base publication incorporating amendments 1
base incorporant les amendements 1 et 2. and 2.
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sur les publications de la CEI
Le contenu technique des publications de la CEI est The technical content of IEC publications is kept
constamment revu par la CEI afin qu'il reflète l'état under constant review by the IEC, thus ensuring that
actuel de la technique. Des renseignements relatifs à the content reflects current technology. Information
cette publication, y compris sa validité, sont dispo- relating to this publication, including its validity, is
nibles dans le Catalogue des publications de la CEI available in the IEC Catalogue of publications
(voir ci-dessous) en plus des nouvelles éditions, (see below) in addition to new editions, amendments
amendements et corrigenda. Des informations sur les and corrigenda. Information on the subjects under
sujets à l’étude et l’avancement des travaux entrepris consideration and work in progress undertaken by the
par le comité d’études qui a élaboré cette publication, technical committee which has prepared this
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comprenant des recherches textuelles, par comité technical committees and date of publication. On-
d’études ou date de publication. Des informations en line information is also available on recently
ligne sont également disponibles sur les nouvelles issued publications, withdrawn and replaced
publications, les publications remplacées ou retirées, publications, as well as corrigenda.
ainsi que sur les corrigenda.
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Tél: +41 22 919 02 11 Tel: +41 22 919 02 11
Fax: +41 22 919 03 00 Fax: +41 22 919 03 00
.
SPÉCIFICATION CEI
TECHNIQUE
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TS 60076-14
TECHNICAL
Première édition
SPECIFICATION
First edition
2004-11
Transformateurs de puissance –
Partie 14:
Conception et application des transformateurs
de puissance immergés dans du liquide utilisant
des matériaux isolants haute température
Power transformers –
Part 14:
Design and application of liquid-immersed
power transformers using high-temperature
insulation materials
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– 2 – TS 60076-14 CEI:2004
SOMMAIRE
AVANT-PROPOS.6
INTRODUCTION.10
1 Domaine d'application .12
2 Références normatives.12
3 Termes et définitions .14
4 Matériaux .18
4.1 Généralités.18
4.2 Isolation solide.18
4.3 Emaux pour isolation de fils.22
4.4 Liquides isolants .24
5 Systèmes d'isolation.28
5.1 Généralités.28
5.2 Types de système d'isolation.30
6 Limites de température.38
7 Accessoires de transformateur et compatibilité.42
7.1 Généralités.42
7.2 Traversées .42
7.3 Changeur de prise.42
7.4 Matériau de garniture .42
7.5 Peinture du réservoir .42
7.6 Refroidisseurs .42
7.7 Pompes.44
7.8 Conservateur.44
7.9 Adhésifs .44
7.10 Transformateurs de courant .44
7.11 Thermomètres et indicateurs de température.44
7.12 Relais Buchholz .44
8 Considérations de conception particulières.44
8.1 Considérations de court-circuit .44
8.2 Prescriptions diélectriques .46
8.3 Exigences relatives à la température.46
8.4 Surcharge .50
8.5 Effets des courants harmoniques.50
8.6 Système de conservation d'huile .50
9 Informations requises .50
9.1 Informations à fournir par l'acheteur .50
9.2 Informations à fournir par le constructeur .52
10 Plaque signalétique et informations supplémentaires.52
10.1 Plaque signalétique .52
10.2 Manuel du transformateur.54
TS 60076-14 IEC:2004 – 3 –
CONTENTS
FOREWORD.7
INTRODUCTION.11
1 Scope.13
2 Normative references .13
3 Terms and definitions .15
4 Materials .19
4.1 General .19
4.2 Solid insulation.19
4.3 Wire enamel insulation .23
4.4 Insulating liquids .25
5 Insulation systems.29
5.1 General .29
5.2 Insulation system types .31
6 Temperature limits.39
7 Transformer accessories and compatibility .43
7.1 General .43
7.2 Bushings .43
7.3 Tap-changer.43
7.4 Gasket material .43
7.5 Tank painting .43
7.6 Coolers .43
7.7 Pumps.45
7.8 Conservator .45
7.9 Adhesives .45
7.10 Current transformers .45
7.11 Temperature gauges and indicators.45
7.12 Buchholz relays.45
8 Special design considerations .45
8.1 Short-circuit considerations .45
8.2 Dielectric requirements.47
8.3 Temperature requirements .47
8.4 Overload .51
8.5 Effects of harmonic currents.51
8.6 Oil preservation system.51
9 Required Information .51
9.1 Information to be provided by the purchaser.51
9.2 Information to be provided by the manufacturer.53
10 Rating plate and additional information.53
10.1 Rating plate.53
10.2 Transformer manual .55
– 4 – TS 60076-14 CEI:2004
11 Essais .54
11.1 Généralités.54
11.2 Prescriptions générales pour les essais individuels, les essais de type et les
essais spéciaux.54
11.3 Essai d'échauffement .54
11.4 Essais de type diélectrique.58
12 Surveillance, diagnostics et maintenance .58
12.1 Introduction .58
12.2 Transformateurs remplis d’huile minérale isolante .58
12.3 Transformateurs remplis de liquides isolants à haute température.60
Annexe A (informative) Calcul de la température de génération de bulles .62
Annexe B (informative) Evolution des températures de transformateur pour les
Tableaux 4 et 5.72
Bibliographie.74
Figure 1 – Illustration de l’isolation solide dans un système d'isolation homogène .30
Figure 2 – Illustration de l’isolation solide dans un système à isolation hybride.32
Figure 3 – Illustration de l’isolation solide dans un système à isolation semi-hybride .34
Figure 4 – Illustration de l’isolation solide dans un système d'isolation mélangé .36
Figure 5 – Gradient thermique du conducteur au liquide .48
Figure 6 – Schéma de température modifié pour les enroulements avec système
d'isolation mixte .56
Figure A.1 – Diagramme de température d'évolution des bulles .64
Figure A.2 – Courbes d'équilibre d'humidité pour cellulose et huile minérale.66
Figure A.3 – Courbes d'équilibre d'humidité logarithmiques pour cellulose et huile
minérale .68
Figure A.4 – Teneur en eau du papier par rapport à la température d'évolution des bulles
pour les paramètres de l'exemple .70
Tableau 1 – Propriétés typiques de matériaux isolants solides.20
Tableau 2 – Emaux typiques pour isolation de fils.22
Tableau 3 – Propriétés typiques des liquides isolants .26
Tableau 4 – Limites de température pour transformateurs avec liquide isolant minéral .40
Tableau 5 – Limites de température pour transformateurs avec liquides haute
température .40
TS 60076-14 IEC:2004 – 5 –
11 Testing .55
11.1 General .55
11.2 General requirements for routine, type and special tests .55
11.3 Temperature-rise test .55
11.4 Dielectric type tests.59
12 Supervision, diagnostics, and maintenance .59
12.1 Introduction .59
12.2 Transformers filled with mineral insulating oil .59
12.3 Transformers filled with high-temperature insulating liquids.61
Annex A (informative) Calculation of bubble generation temperature .63
Annex B (informative) Transformer temperature development for Tables 4 and 5.73
Bibliography.75
Figure 1 – Illustration of solid insulation in a homogeneous insulation system.31
Figure 2 – Illustration of solid insulation in a hybrid insulation system .33
Figure 3 – Illustration of solid insulation in a semi-hybrid insulation system .35
Figure 4 – Illustration of solid insulation in a mixed insulation system .37
Figure 5 – Temperature gradient conductor to liquid .49
Figure 6 – Modified temperature diagram for windings with mixed insulation system.57
Figure A.1 – Bubble evolution temperature chart.65
Figure A.2 – Moisture equilibrium curves for cellulose and mineral oil.67
Figure A.3 – Logarithmic moisture equilibrium curves for cellulose and mineral oil.69
Figure A.4 – Water content of paper versus bubble evolution temperature for parameters
taken from the example .71
Table 1 – Typical properties of solid insulation materials .21
Table 2 – Typical enamels for wire insulation.23
Table 3 – Typical properties of insulating liquids .27
Table 4 – Temperature limits for transformers with mineral insulating liquid .41
Table 5 – Temperature limits for transformers with high-temperature liquids .41
– 6 – TS 60076-14 CEI:2004
COMMISSION ÉLECTROTECHNIQUE INTERNATIONALE
____________
TRANSFORMATEURS DE PUISSANCE –
Partie 14: Conception et application
des transformateurs de puissance immergés dans du liquide
utilisant des matériaux isolants haute température
AVANT-PROPOS
1) La Commission Electrotechnique Internationale (CEI) est une organisation mondiale de normalisation
composée de l'ensemble des comités électrotechniques nationaux (Comités nationaux de la CEI). La CEI a
pour objet de favoriser la coopération internationale pour toutes les questions de normalisation dans les
domaines de l'électricité et de l'électronique. A cet effet, la CEI – entre autres activités – publie des Normes
internationales, des Spécifications techniques, des Rapports techniques, des Spécifications accessibles au
public (PAS) et des Guides (ci-après dénommés "Publication(s) de la CEI"). Leur élaboration est confiée à des
comités d'études, aux travaux desquels tout Comité national intéressé par le sujet traité peut participer. Les
organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec la CEI, participent
également aux travaux. La CEI collabore étroitement avec l'Organisation Internationale de Normalisation (ISO),
selon des conditions fixées par accord entre les deux organisations.
2) Les décisions ou accords officiels de la CEI concernant les questions techniques représentent, dans la mesure
du possible, un accord international sur les sujets étudiés, étant donné que les Comités nationaux de la CEI
intéressés sont représentés dans chaque comité d’études.
3) Les Publications de la CEI se présentent sous la forme de recommandations internationales et sont agréées
comme telles par les Comités nationaux de la CEI. Tous les efforts raisonnables sont entrepris afin que la CEI
s'assure de l'exactitude du contenu technique de ses publications; la CEI ne peut pas être tenue responsable
de l'éventuelle mauvaise utilisation ou interprétation qui en est faite par un quelconque utilisateur final.
4) Dans le but d'encourager l'uniformité internationale, les Comités nationaux de la CEI s'engagent, dans toute la
mesure possible, à appliquer de façon transparente les Publications de la CEI dans leurs publications
nationales et régionales. Toutes divergences entre toutes Publications de la CEI et toutes publications
nationales ou régionales correspondantes doivent être indiquées en termes clairs dans ces dernières.
5) La CEI n’a prévu aucune procédure de marquage valant indication d’approbation et n'engage pas sa
responsabilité pour les équipements déclarés conformes à une de ses Publications.
6) Tous les utilisateurs doivent s'assurer qu'ils sont en possession de la dernière édition de cette publication.
7) Aucune responsabilité ne doit être imputée à la CEI, à ses administrateurs, employés, auxiliaires ou
mandataires, y compris ses experts particuliers et les membres de ses comités d'études et des Comités
nationaux de la CEI, pour tout préjudice causé en cas de dommages corporels et matériels, ou de tout autre
dommage de quelque nature que ce soit, directe ou indirecte, ou pour supporter les coûts (y compris les frais
de justice) et les dépenses découlant de la publication ou de l'utilisation de cette Publication de la CEI ou de
toute autre Publication de la CEI, ou au crédit qui lui est accordé.
8) L'attention est attirée sur les références normatives citées dans cette publication. L'utilisation de publications
référencées est obligatoire pour une application correcte de la présente publication.
9) L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments de la présente Publication de la CEI peuvent faire
l’objet de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. La CEI ne saurait être tenue pour
responsable de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et de ne pas avoir signalé leur existence.
La tâche principale des comités d'études de la CEI est d'établir des Normes Internationales.
Dans des circonstances exceptionnelles, un comité d’études peut proposer la publication
d’une spécification technique lorsque
• le soutien nécessaire ne peut pas être obtenu pour la publication d’une norme
internationale, en dépit d’efforts répétés, ou
• Le sujet en encore en évolution d’un point de vue technique ou, pour toute autre raison, il
existe une possibilité dans l’avenir mais pas dans l’immédiat pour un accord sur une
norme internationale.
Les spécifications techniques sont révisées dans les trois années qui suivent leur publication
pour décider si elles peuvent être transformées en normes internationales.
TS 60076-14 IEC:2004 – 7 –
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION
____________
POWER TRANSFORMERS –
Part 14: Design and application
of liquid-immersed power transformers
using high-temperature insulation materials
FOREWORD
1) The International Electrotechnical Commission (IEC) is a worldwide organization for standardization comprising
all national electrotechnical committees (IEC National Committees). The object of IEC is to promote
international co-operation on all questions concerning standardization in the electrical and electronic fields. To
this end and in addition to other activities, IEC publishes International Standards, Technical Specifications,
Technical Reports, Publicly Available Specifications (PAS) and Guides (hereafter referred to as “IEC
Publication(s)”). Their preparation is entrusted to technical committees; any IEC National Committee interested
in the subject dealt with may participate in this preparatory work. International, governmental and non-
governmental organizations liaising with the IEC also participate in this preparation. IEC collaborates closely
with the International Organization for Standardization (ISO) in accordance with conditions determined by
agreement between the two organizations.
2) The formal decisions or agreements of IEC on technical matters express, as nearly as possible, an international
consensus of opinion on the relevant subjects since each technical committee has representation from all
interested IEC National Committees.
3) IEC Publications have the form of recommendations for international use and are accepted by IEC National
Committees in that sense. While all reasonable efforts are made to ensure that the technical content of IEC
Publications is accurate, IEC cannot be held responsible for the way in which they are used or for any
misinterpretation by any end user.
4) In order to promote international uniformity, IEC National Committees undertake to apply IEC Publications
transparently to the maximum extent possible in their national and regional publications. Any divergence
between any IEC Publication and the corresponding national or regional publication shall be clearly indicated in
the latter.
5) IEC provides no marking procedure to indicate its approval and cannot be rendered responsible for any
equipment declared to be in conformity with an IEC Publication.
6) All users should ensure that they have the latest edition of this publication.
7) No liability shall attach to IEC or its directors, employees, servants or agents including individual experts and
members of its technical committees and IEC National Committees for any personal injury, property damage or
other damage of any nature whatsoever, whether direct or indirect, or for costs (including legal fees) and
expenses arising out of the publication, use of, or reliance upon, this IEC Publication or any other IEC
Publications.
8) Attention is drawn to the Normative references cited in this publication. Use of the referenced publications is
indispensable for the correct application of this publication.
9) Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this IEC Publication may be the subject of
patent rights. IEC shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
The main task of IEC technical committees is to prepare International Standards. In
exceptional circumstances, a technical committee may propose the publication of a technical
specification when
• the required support cannot be obtained for the publication of an International Standard,
despite repeated efforts, or
• The subject is still under technical development or where, for any other reason, there is
the future but no immediate possibility of an agreement on an International Standard.
Technical specifications are subject to review within three years of publication to decide
whether they can be transformed into International Standards.
– 8 – TS 60076-14 CEI:2004
La CEI 60076-14, qui est une spécification technique, a été établie par le comité 14 de la CEI:
Transformateurs de puissance.
Le texte de cette spécification technique est issu des documents suivants:
Projet d'enquête Rapport de vote
14/468/DTS 14/482/RVC
Le rapport de vote indiqué dans le tableau ci-dessus donne toute information sur le vote ayant
abouti à l'approbation de cette spécification technique.
Cette publication a été rédigée selon les Directives ISO/CEI, Partie 2.
La CEI 60076 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Transfor-
mateurs de puissance
Partie 1: Généralités
Partie 2: Echauffement
Partie 3: Niveaux d’isolement, essais diélectriques et distances d’isolement dans l’air
Partie 4: Guide pour les essais au choc de foudre et au choc de manœuvre –
Transformateurs de puissance et bobines d’inductance
Partie 5: Tenue au court-circuit
Partie 8: Guide d’application
Partie 10: Détermination des niveaux de bruit
Partie 11: Transformateurs de type sec
Partie 14: Conception et application des transformateurs de puissance immergés dans du
liquide utilisant des matériaux isolants haute température
Le comité a décidé que le contenu de cette publication ne sera pas modifié avant la date de
maintenance indiquée sur le site web de la CEI sous «http://webstore.iec.ch» dans les
données relatives à la publication recherchée. A cette date, la publication sera
• transformée en Norme internationale;
• reconduite;
• supprimée;
• remplacée par une édition révisée, ou
• amendée.
TS 60076-14 IEC:2004 – 9 –
IEC 60076-14, which is a technical specification, has been prepared by IEC technical
committee 14: Power transformers.
The text of this technical specification is based on the following documents:
Enquiry draft Report on voting
14/468/DTS 14/482/RVC
Full information on the voting for the approval of this technical specification can be found in
the report on voting indicated in the above table.
This publication has been drafted in accordance with the ISO/IEC Directives, Part 2.
IEC 60076 consists of the following parts under the general title Power transformers
Part 1: General
Part 2: Temperature rise
Part 3: Insulation levels, dielectric tests and external clearances in air
Part 4: Guide to the lightning impulse and switching impulse testing – Power transformers
and reactors
Part 5: Ability to withstand short circuit
Part 8: Application guide
Part 10: Determination of sound levels
Part 11: Dry-type transformers
Part 14: Design and application of liquid-immersed power transformers using high-
temperature insulation materials
The committee has decided that the contents of this publication will remain unchanged until
the maintenance result date indicated on the IEC web site under "http://webstore.iec.ch" in
the data related to the specific publication. At this date, the publication will be
• transformed into an International Standard;
• reconfirmed;
• withdrawn;
• replaced by a revised edition, or
• amended.
– 10 – TS 60076-14 CEI:2004
INTRODUCTION
Les conducteurs d'enroulement des transformateurs immergés dans du liquide ont été dans le
passé isolés par du papier cellulosique ou par de l’émail. Des produits en cellulose ont
également constitué des matériaux isolants. Dans la plupart des cas, le liquide isolant était de
l’huile minérale isolante. Ces matériaux sont toujours prédominants.
L'échauffement moyen des enroulements a été limité pendant plusieurs dizaines d’années à
65/70 K et l'échauffement de l'huile maximal à 60 K, comme spécifié dans la CEI 60076-2.
La plupart de l’expérience accumulée en matière de transformateurs en service est basée sur
ces matériaux et ces limites de température. Dans certains cas, les limitations d'espace ou de
masse exigent du concepteur de réduire les dimensions du transformateur avec, en
conséquence, des échauffements plus élevés. L'application de matériaux (tant solides que
liquides) avec de meilleures propriétés de vieillissement à des températures supérieures à
celles des températures traditionnelles est nécessaire pour assurer une espérance de vie
acceptable. Des matériaux haute température ont de temps à autre été utilisés dans certaines
parties des enroulements là où l’on avait prévu une température élevée.
Des mesures de température récentes au moyen de fibres optiques ont indiqué que la
température du point chaud peut parfois être supérieure à celle qui est prédite, et dans
certains cas considérablement plus élevée. Cela a engendré des préoccupations en ce qui
concerne le taux de vieillissement plus élevé que prévu. Les mesures ont indiqué l'emplace-
ment des points chauds, ainsi que celui de l'application de matériaux haute température.
Une isolation haute température, d'émail et de rubanage pour les conducteurs, à l'entretoise
et aux matériaux de support mécanique est déjà utilisé dans les grands transformateurs de
puissance, les petits transformateurs de puissance, les transformateurs mobiles, les
transformateurs de locomotives et les transformateurs redresseurs. Des fluides appropriés
pour des températures supérieures à celles de l'huile minérale isolante traditionnelle sont
également disponibles. Pendant de nombreuses années, les constructeurs ont répondu aux
besoins d'applications spéciales en construisant des transformateurs avec des matériaux
haute température afin d’obtenir un poids réduit, une densité de puissance supérieure ou une
durée de vie accrue.
L'objet de la présente spécification technique est de fournir des informations sur les types de
matériaux disponibles et d'attirer l'attention sur les matières spécifiquement attribuées aux
températures supérieures.
TS 60076-14 IEC:2004 – 11 –
INTRODUCTION
Winding conductors in liquid-immersed transformers have historically been insulated by
cellulosic paper or enamel. Other solid insulation materials have also been cellulose products.
The insulation liquid has, for the most part been mineral insulating oil. These materials are
still predominant.
The average temperature rise in windings for several tens of years has been limited to
65/70 K and the top oil temperature rise to 60 K, as specified in IEC 60076-2.
Most of the accumulated experience of transformers in service is based on these materials
and these temperature limits. In some cases, space or weight limitations require the designer
to reduce the transformer dimensions with higher temperature rises as a consequence. The
application of materials (both solid and liquid) with better ageing properties at more elevated
temperatures than the traditional ones is necessary in order to provide an acceptable life
expectancy. High-temperature materials have also occasionally been used in certain parts of
the windings where high temperature has been expected.
Recent temperature measurements by means of fibre-optics have indicated that the hot-spot
temperature may sometimes be higher than predicted, and in certain cases considerably
higher. This has created concern regarding higher rate of ageing than expected. The
measurements have provided knowledge regarding where the hot-spots are situated and
where high-temperature materials might be applied.
High-temperature insulation, from enamel and tape wrap for conductors, to spacer and
mechanical support materials are already used in large power, smaller distribution, mobile,
locomotive and rectifier transformers. Fluids suitable for temperatures higher than that of
conventional mineral insulating oil are also available. For many years, manufacturers have
met the needs of special applications by designing transformers using high-temperature
materials to achieve lighter weight, higher power density or increased life.
The purpose of this technical specification is to provide information on types of available
materials and to draw attention to topics specifically attributed to the higher temperatures.
– 12 – TS 60076-14 CEI:2004
TRANSFORMATEURS DE PUISSANCE –
Partie 14: Conception et application
des transformateurs de puissance immergés dans du liquide
utilisant des matériaux isolants haute température
1 Domaine d'application
La présente spécification technique fournit des informations pour la spécification, l’étude, les
essais et le chargement à utiliser tant par le constructeur que par l'utilisateur de transfor-
mateurs de puissance immergés dans du liquide utilisant une isolation haute température ou
des combinaisons d'isolation haute température et traditionnelle.
Elle s'applique aux:
– transformateurs de puissance conçus conformément à la CEI 60076-1;
– transformateurs de conversion conçus conformément à la CEI 61378;
– transformateurs de four à arc,
et elle traite de l'utilisation de différentes combinaisons d'isolants liquides et solides.
Les normes des transformateurs de traction relèvent du comité d’études 9 de la CEI, mais
cette spécification technique peut toutefois s'appliquer à titre de guide pour l'utilisation de
matériaux isolants haute température dans les transformateurs de traction.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent
document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références
non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
CEI 60076-1, Transformateurs de puissance – Partie 1: Généralités
CEI 60076-2, Transformateurs de puissance – Partie 2: Echauffement
CEI 60076-5, Transformateurs de puissance – Partie 5: Tenue au court-circuit
CEI 60296, Spécification des huiles minérales isolantes neuves pour transformateurs et
appareillage de connexion
CEI 60317 (toutes les parties), Spécifications pour types particuliers de fils de bobinage
CEI 60422, Guide de maintenance et de surveillance des huiles minérales isolantes en
service dans les matériels électriques
CEI 60554-3, Spécification pour papiers cellulosiques à usages électriques – Partie 3:
Spécifications pour matériaux particuliers
CEI 60641-3, Spécification pour le carton comprimé et le papier comprimé à usages
électriques – Partie 3: Spécifications pour matériaux particuliers
TS 60076-14 IEC:2004 – 13 –
POWER TRANSFORMERS –
Part 14: Design and application
of liquid-immersed power transformers
using high-temperature insulation materials
1 Scope
This technical specification provides design, testing and loading information for use by both
the manufacturer and user of liquid-immersed power transformers using either high-
temperature insulation or combinations of high-temperature and conventional insulation.
It is applicable to
– power transformers designed in accordance with IEC 60076-1;
– convertor transformers designed to IEC 61378;
– arc furnace transformers,
and covers the use of various liquid and solid insulation combinations.
Whilst standards for traction transformers fall under the authority of IEC Technical
Committee 9, this specification however may be applicable as a guideline for the use of high-
temperature insulation materials in traction transformers.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document.
For dated references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition
of the referenced document (including any amendments) applies.
IEC 60076-1, Power transformers – Part 1: General
IEC 60076-2, Power transformers – Part 2: Temperature rise
IEC 60076-5, Power transformers – Part 5: Ability to withstand short-circuit
IEC 60296, Fluids for electrotechnical applications – Unused mineral insulating oils for
transformers and switchgear
IEC 60317 (all parts), Specifications for particular types of winding wires
IEC 60422, Supervision and maintenance guide for mineral insulating oils in electrical
equipment
IEC 60554-3, Specification for cellulosic papers for electrical purposes – Part 3:
Specifications for individual materials
IEC 60641-3, Specification for pressboard and presspaper for electrical purposes – Part 3:
Specifications for individual materials
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Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.
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