Caractéristiques techniques applications et normes des réacteurs shunt à sec de 500 kV au Brésil
1 Caractéristiques techniques et références normatives des réactances à sec de 500 kV
1.1 Caractéristiques techniques
La réactance à sec de 500 kV, un dispositif électrique sans huile pour les systèmes de transmission à très haute tension, se distingue par des caractéristiques avancées telles qu'une isolation innovante, un système de refroidissement novateur, une conception électromagnétique optimisée et une structure modulaire. Ces avantages, supérieurs à ceux des réactances immergées traditionnelles, conduisent également à de nouvelles exigences en matière de normes techniques.
Isolation avancée : L'utilisation de la résine époxy coulée et des nanocomposites (avec des particules de nano-SiO₂ qui augmentent la résistance à la rupture de l'époxy de ~40 % et la tension initiale de décharge partielle de 25 %) améliore l'isolation et la résistance aux décharges partielles. Cette percée nécessite une redéfinition des niveaux d'isolation et des méthodes d'essai de décharge partielle dans les normes.
Système de refroidissement novateur : Une structure composite (refroidissement forcé multi-canal + dissipation de chaleur assistée par matériau à changement de phase) maintient la montée en température des points chauds en dessous de 60 K (bien inférieure aux limites de l'IEC, vérifiée par analyse par éléments finis et expériences). De nouvelles méthodes et limites d'essai de montée en température sont nécessaires dans les normes.
Conception électromagnétique optimisée : Un enroulement multicouche décalé et une isolation progressive optimisent la distribution du champ électrique, améliorant la résistance aux courts-circuits. L'analyse par éléments finis montre une réduction de ~20 % de l'intensité maximale du champ électrique dans les enroulements. Les normes devraient inclure des méthodes d'évaluation de la distribution du champ électrique et de la résistance aux courts-circuits.
Structure modulaire : Composée d'unités de base identiques connectées en série, facilitant la fabrication, le transport et l'installation sur site. Les normes doivent prévoir des exigences d'essai pour la fiabilité des connexions inter-modulaires et la cohérence des performances globales.
1.2 Références et formulation des normes techniques
Dans l'application de la technologie des réactances à sec de 500 kV au Brésil, les normes techniques ont joué un rôle clé. L'équipe de recherche a approfondi la norme électrique brésilienne ABNT NBR 5356 - 6 Transformateurs Partie 6 : Réactances, et a combiné des normes internationales comme l'IEC 60076 - 6 Transformateurs de puissance - Partie 6 : Réactances et l'IEEE Std C57.12.90 - 2021 Procédures d'essai standard pour les transformateurs de distribution, de puissance et de régulation immergés dans un liquide, pour élaborer une spécification technique pour les réactances à sec de 500 kV adaptée au contexte brésilien.
Les points clés lors de l'élaboration de la spécification :
Niveau d'isolation : Adapté au réseau brésilien, les exigences d'isolation ont été renforcées (tension de tenue à l'impulsion de foudre : 1550 kV ; tension de tenue à l'impulsion d'exploitation : 1175 kV - supérieure aux normes chinoises mais adaptée au réseau). Selon la NBR 5356 - 6, l'essai d'impulsion de commutation Tz ≥ 1000 μs et Td ≥ 200 μs.
Montée en température et dissipation de chaleur : Pour l'environnement à haute température du Brésil, la limite de montée en température moyenne a été resserrée de 60 K à 50 K (grâce à un design de refroidissement innovant, améliorant la sécurité). Des analyses thermographiques et un suivi de la température à long terme ont été ajoutés pour la structure de refroidissement composite.
Exigences et calcul des pertes : Conçu selon les normes brésiliennes avec une limite de perte d'interférence de 0,3 %. En utilisant l'annexe B.2 de l'IEEE Std C57.12.90 - 2021, un modèle de conversion de pertes 50 Hz - 60 Hz a été établi, assurant des calculs de pertes précis et comparables entre les fréquences.
Adaptabilité environnementale : Pour le climat chaud et humide du Brésil, des exigences de résistance à la corrosion par brouillard salin, à la pollution flashover et aux UV ont été ajoutées pour améliorer la fiabilité à long terme. Des essais tels que l'accélération du vieillissement et les cycles de chaleur humide ont été formulés.
2 Pratique d'application des réactances à sec de 500 kV au Brésil
2.1 Défis de l'introduction de la technologie et de l'adaptation des normes
L'application de la technologie des réactances à sec de 500 kV dans le système électrique brésilien pose plusieurs défis, nécessitant des solutions à ces questions clés :
Différences de normes techniques : La norme brésilienne ABNT NBR 5356 - 6 Transformateurs Partie 6 : Réactances et la norme chinoise GB/T 1094.6 - 2017 Transformateurs de puissance - Partie 6 : Réactances sont structuralement similaires mais diffèrent dans les exigences spécifiques et les détails d'implémentation. Toutes deux font référence à l'IEC 60076 - 6 mais sont adaptées aux besoins nationaux, variant en termes de niveaux d'isolation, de limites de montée en température et de méthodes de calcul des pertes. Ces différences nécessitent une gestion attentive lors de l'adaptation de la technologie.
Adaptabilité climatique : Le climat tropical du Brésil (par exemple, région de Silvânia : température annuelle moyenne >25°C, humidité relative ≥80%) impose des exigences plus élevées en termes de dissipation de chaleur et d'isolation. Un tel environnement chaud et humide met fortement à l'épreuve l'isolation et la durée de vie des équipements électriques traditionnels.
Adaptation aux caractéristiques du réseau : Le réseau de 500 kV du Brésil présente des fluctuations de tension d'environ 15 % supérieures à celles des réseaux chinois de même niveau, avec des environnements harmoniques différents. Les réactances doivent avoir une meilleure adaptabilité en tension et une meilleure performance anti-harmonique.
Besoins locaux d'exploitation et de maintenance (O&M) : Pour assurer un fonctionnement fiable à long terme, il faut prendre en compte les capacités et habitudes locales d'O&M, couvrant la formation technique, l'approvisionnement en pièces de rechange et les services localisés.
2.2 Ajustement et innovation des normes techniques
Pour répondre à ces défis, cette recherche a pris des mesures innovantes, notamment l'ajustement des normes et spécifications techniques pré-projet basées sur l'utilisation et les tests effectifs du nouveau réacteur à sec. Cela a résolu les problèmes d'adaptation technique et fourni une référence clé pour des projets similaires.
Modifications clés des normes techniques :
Annulation de l'essai de décharge partielle : L'interférence de couronne externe sur les réactances à sec dépasse largement leurs décharges partielles internes. Sans méthodes ou critères d'essai matures pour les décharges partielles d'interférence, et compte tenu que la NBR 5356 - 11 - 2016 ne s'applique qu'aux transformateurs à sec basse tension (sans interférence externe) et que l'IEEE C57.21 exempte les réactances à sec de tels essais, l'essai de décharge partielle pour les réactances à sec de 500 kV est annulé.
Optimisation de l'isolation et du temps d'essai : Selon les normes brésiliennes, la tension de tenue à l'impulsion de foudre est de 1550 kV et la tension de tenue à l'impulsion d'exploitation est de 1175 kV. En raison de l'impédance du réacteur, les paramètres de temps d'essai d'impulsion de commutation sont ajustés à Td ≥ 120 μs et Tz ≥ 500 μs.
Amélioration de la dissipation de chaleur : Pour le climat chaud et humide du Brésil, une nouvelle structure de dissipation de chaleur composite utilisant une isolation de classe H (180°C) (améliorant la résistance à la chaleur de 30°C par rapport aux conceptions traditionnelles) a été développée. Les simulations thermiques montrent que la montée en température des points chauds reste en dessous de 60 K (inférieure aux limites de conception).
Ajustement de la méthode de calcul des pertes : La perte d'un réacteur comprend la perte de résistance continue de son enroulement (Pdc) et la perte supplémentaire de l'enroulement (Pa). Pour une structure de réacteur donnée, Pdc et Pa sont proportionnels au carré du courant. En utilisant des conducteurs transposés, et avec seulement quelques petits composants conducteurs métalliques (comme des connecteurs) aux points de connexion (non magnétiques), la perte supplémentaire représente une faible proportion de la perte de résistance continue. Les résultats des essais montrent que la perte supplémentaire du prototype est d'environ 9% à 12%, donc la formule de calcul des pertes est la suivante :
Amélioration de l'adaptabilité en tension : En optimisant la conception électromagnétique, la plage d'adaptation en tension de l'équipement a été élargie pour faire face aux grandes fluctuations de tension dans le réseau électrique brésilien. Parallèlement, la performance anti-harmonique de l'équipement a été améliorée, et les modes harmoniques ont été réduits grâce à un enroulement spécial.
3 Évaluation des effets pratiques et des normes techniques
3.1 Analyse des effets pratiques
Grâce à son application à la sous-station de Silvânia, la réactance à sec de 500 kV a montré d'excellentes performances. Selon le rapport d'essai CEPRI-EETC03-2022-0880 (E), les indicateurs clés sont :
Niveau de perte : Perte mesurée : 58,367 kW à 80°C (en dessous de la limite de 60 kW), confirmant l'efficacité des méthodes de calcul et de contrôle des pertes.
Contrôle du bruit : Bruit mesuré : 57 dB(A) (bien en dessous de la limite de 80 dB(A)), grâce à une conception de contrôle du bruit ciblée.
Performance de montée en température : Montée en température moyenne : 22,9 K ; montée en température des points chauds : 26,5 K (toutes deux en dessous des limites de conception), validant la nouvelle conception de refroidissement adaptée au climat brésilien.
Performance électrique : Bonne performance lors des essais (impulsion de foudre/impulsion d'exploitation). Utilisation des paramètres ABNT NBR 5356 - 4/IEC 60076 - 4 (T1, Td, Tz) pour l'impulsion d'exploitation, tenant compte de l'impédance du réacteur.
Ces résultats prouvent l'applicabilité et la supériorité du réacteur dans le réseau brésilien, en particulier en termes d'efficacité énergétique et de protection de l'environnement, soutenant le développement durable. Ils valident également les spécifications techniques scientifiques et visionnaires.
3.2 Évaluation de l'optimisation des normes techniques
Sur la base de la pratique et de l'exploitation, l'équipe propose les optimisations suivantes :
Limites de perte : Abaisser la limite de perte pour les réactances de 500 kV/20 Mvar de 60 kW à 80°C à 58 kW à 80°C ; utiliser 75°C comme référence pour le calcul des pertes.
Normes de bruit : Affiner les normes (par exemple, 75 dB(A) pour les postes situés près des résidences) ; prendre en compte le bruit sous différentes tensions (par exemple, 600 kV).
Limites de montée en température : Ajuster la limite de montée en température moyenne de 60 K à 50 K ; spécifier l'isolation de classe B (indice de température de 130°C, montées en température moyenne et des points chauds de 60/90°C).
Coordination de l'isolation : Augmenter la tension de tenue à l'impulsion de foudre à 1600 kV (en raison de la fréquence élevée des orages au Brésil) ; utiliser une tension de tenue à l'impulsion sèche de puissance de 140 kV pour l'isolation du point neutre. Définir la fréquence d'essai (≥48 Hz, 80 % de la valeur nominale) et la durée (≥60 s).
Adaptabilité environnementale : Ajouter des exigences de résistance au brouillard salin (zones côtières) ; prendre en compte l'impact du champ électromagnétique, définir l'espacement. Utiliser des boucliers, des revêtements anti-pollution et anti-UV dans la conception.
Ces suggestions améliorent les performances et la fiabilité du réacteur, guident les futures normes et contribuent à un développement efficace, fiable et durable du réseau électrique brésilien.
