Atténuation des risques de décharge dans les RMU à isolation à air de 12 kV en utilisant un design de bouclier de répartition

Ce document prend pour objet d'étude la première coupure d'isolement d'un certain type de boîtier de dérivation à air isolé (RMU) de 12 kV, analysant la distribution et l'uniformité du champ électrique autour de celle-ci, évaluant les performances d'isolation à cet endroit, et réduisant le risque de décharge tout en améliorant les performances d'isolation par l'optimisation structurelle, fournissant ainsi une référence pour la conception d'isolation de produits similaires.

1 Structure du Boîtier de Dérivation à Air Isolé

Le modèle structuré tridimensionnel du RMU à air isolé étudié dans ce document est montré à la Figure 1. Le circuit principal adopte une configuration combinant un interrupteur à vide avec un interrupteur trois positions, disposé avec l'interrupteur trois positions du côté de la barre de bus - c'est-à-dire que l'interrupteur trois positions est situé dans la partie supérieure du RMU, tandis que l'interrupteur à vide est monté dans la partie inférieure dans une structure de poteau scellée. Puisque l'interrupteur à vide est encapsulé à l'intérieur du poteau, son extérieur est isolé avec de la résine époxy qui a des propriétés d'isolation nettement meilleures que l'air, répondant ainsi aux exigences d'isolation.

De plus, la barre de connexion au point de scellement du poteau scellé utilise des bords arrondis et une conception en forme d'arc, associée à un joint en caoutchouc silicone, atténuant efficacement les problèmes de décharge partielle dans cette zone. Les distances d'isolation entre les barres de bus et vers la terre sont conçues selon les normes d'isolation pertinentes et satisfont aux exigences réglementaires.

La lame d'isolement de l'interrupteur trois positions repose sur l'air comme milieu isolant. En tant que composant de connexion mobile, sa structure comprend des parties métalliques telles que des goupilles, des ressorts, des disques ressorts et des circlips pour augmenter la pression de contact entre les contacts d'isolement. Cependant, en raison des formes complexes de ces parties métalliques, la distribution du champ électrique peut devenir très non uniforme, conduisant à des décharges partielles et des risques potentiels de rupture, affectant négativement les performances d'isolation à cet endroit.

Par conséquent, la conception électrique de cette structure est particulièrement critique. Selon les exigences de conception du produit, la coupure d'isolement doit supporter une tension de tenue de fréquence industrielle de courte durée nominale de 50 kV, avec une distance électrique minimale conçue de 100 mm. Étant donné la complexité de la structure de la lame d'isolement, des écrans de gradation sont ajoutés de chaque côté de la lame pour améliorer l'uniformité du champ électrique et réduire les décharges partielles. Le modèle tridimensionnel de l'interrupteur trois positions est montré à la Figure 2. Ce document effectue une analyse de simulation du champ électrique sur cette coupure d'isolement.

2 Analyse de Simulation

Un logiciel d'éléments finis a été utilisé pour effectuer une simulation du champ électrique sur le boîtier de dérivation, analysant la distribution de l'intensité du champ électrique à la coupure d'isolement sous la tension de tenue de fréquence industrielle de courte durée nominale spécifiée de 50 kV. Deux cas de simulation de champ électrostatique ont été considérés :

• Cas 1 : Le côté de la barre de bus (côté contact fixe d'isolement) est à faible potentiel (0 V), et le côté de la ligne (côté pointe de la lame d'isolement) est à haut potentiel (50 kV).

• Cas 2 : Le côté de la barre de bus (côté contact fixe d'isolement) est à haut potentiel (50 kV), et le côté de la ligne (côté pointe de la lame d'isolement) est à faible potentiel (0 V).

La distribution du champ électrique à l'emplacement de l'intensité maximale du champ électrique pour les deux cas a été obtenue par simulation. La distribution de l'intensité du champ électrique au niveau de la pointe de la lame d'isolement dans le Cas 1 est montrée à la Figure 3, et la distribution au niveau du contact fixe d'isolement dans le Cas 2 est montrée à la Figure 4. Dans le Cas 1, l'intensité maximale du champ électrique se produit à l'extrémité de l'écran de gradation, atteignant 7,07 kV/mm ; dans le Cas 2, l'intensité maximale se produit à l'arête arrondie du contact fixe d'isolement, avec une valeur de 4,90 kV/mm.

L'intensité typique de champ électrique critique de rupture pour l'air est de 3 kV/mm. Comme le montrent les Figures 3 et 4, bien que l'intensité du champ électrique dans la plupart des zones de la coupure d'isolement soit inférieure à 3 kV/mm - insuffisante pour provoquer une rupture - certaines zones localisées dépassent ce seuil, entraînant des décharges partielles. Lorsque l'air passe d'un état sec à humide, sa capacité d'isolation diminue [10], abaissant l'intensité critique de champ électrique de rupture uniforme en dessous de 3 kV/mm. De plus, une distribution très non uniforme du champ électrique réduit encore davantage l'intensité critique de rupture, augmentant la probabilité et le risque de rupture. Pour atténuer l'impact des facteurs environnementaux externes sur le milieu isolant d'air et améliorer l'uniformité du champ, cette étude évalue le degré d'uniformité du champ électrique et le niveau de tension de tenue à travers la coupure d'isolement, servant de base pour améliorer la capacité d'isolation de la coupure.

3 Caractéristiques d'Isolation de l'Air

3.1 Détermination du Coefficient de Non-Uniformité du Champ Électrique

En pratique, un champ électrique parfaitement uniforme n'existe pas ; tous les champs électriques sont intrinsèquement non uniformes. Sur la base du coefficient de non-uniformité du champ électrique f, les champs électriques sont classés en deux types : lorsque f ≤ 4, le champ est considéré comme légèrement non uniforme ; lorsque f > 4, il est considéré comme fortement non uniforme. Le coefficient de non-uniformité f est défini par f = Emax / Eav, où Emax est l'intensité maximale locale du champ électrique, obtenue à partir de la valeur maximale dans les résultats de la simulation, et Eav est l'intensité moyenne du champ électrique, calculée comme la tension appliquée divisée par la distance électrique minimale.

D'après la Figure 3, Emax = 7,07 kV/mm et Eav = 0,5 kV/mm. Par conséquent, le coefficient de non-uniformité du champ électrique à la coupure d'isolement est f = 14,14 > 4, indiquant un champ électrique fortement non uniforme. Dans les régions où le champ est fortement non uniforme, des décharges partielles stables peuvent se produire, et plus le degré de non-uniformité est élevé, plus les décharges partielles sont prononcées et plus l'amplitude de la décharge est grande. Pour un boîtier de dérivation de 12 kV, la quantité totale de décharge partielle de l'ensemble du cabinet doit être inférieure à 20 pC [5,11]. Ainsi, réduire le coefficient de non-uniformité du champ électrique aide à diminuer le niveau de décharge partielle.

3.2 Détermination de la Tension de Tenue de l'Air

Le coefficient de non-uniformité du champ électrique affecte la tension de tenue de l'air sec. Lorsque le champ est légèrement non uniforme, la tension de tenue est :

où U représente la tension de tenue ; d représente la distance électrique minimale entre les électrodes ; k est un facteur de fiabilité, généralement compris entre 1,2 et 1,5 selon l'expérience ; et E₀ fait référence à l'intensité de champ électrique de rupture du gaz. En pratique, cette intensité de champ de rupture dépend de la configuration spécifique des deux électrodes, et la force de rupture de l'air varie en fonction des structures d'électrodes et des distances de clairance. À des fins d'analyse comparative, ce document suppose E₀ = 3 kV/mm. Comme l'indique l'équation (1), augmenter la distance électrique minimale d et réduire le coefficient de non-uniformité du champ électrique f peuvent tous deux améliorer la tension de tenue du milieu isolant d'air.

Lorsqu'il s'agit d'un champ électrique fortement non uniforme, pour des électrodes avec une distance électrique minimale dans la plage de 100 mm, la tension de tenue est calculée comme suit :

Dans la formule, U50%(d) représente la tension de rupture à 50% d'une électrode sous une clairance électrique spécifique d lors des essais d'impulsion de foudre. Dans les champs électriques fortement non uniformes, il y a une dispersion significative des tensions de rupture et des temps de retard de décharge plus longs, rendant la tension de rupture très instable. Dans les applications pratiques d'ingénierie, U50%(d) est déterminé en effectuant plusieurs essais d'impulsion de foudre et en identifiant la tension appliquée à laquelle il y a une probabilité de 50% de rupture. Cette valeur est étroitement liée à la structure du produit et à l'uniformité du champ électrique. Il est établi qu'un coefficient de non-uniformité du champ électrique plus faible entraîne moins de dispersion de la tension de rupture, une tension de rupture plus élevée, et par conséquent, une tension de tenue plus élevée. Ainsi, réduire le coefficient de non-uniformité du champ électrique est bénéfique pour améliorer la tension de tenue de la coupure d'isolement.

4 Optimisation Structurale

Pour améliorer l'uniformité du champ électrique autour de la pointe de la lame d'isolement et réduire le coefficient de non-uniformité du champ électrique, une optimisation de la structure de l'écran de gradation a été réalisée. Les modèles de l'écran de gradation avant et après optimisation sont montrés à la Figure 5, tandis que les vues en coupe sont fournies à la Figure 6. Comme on peut le voir à la Figure 6, par rapport à la conception pré-optimisation, l'écran de gradation optimisé présente une extrémité plus épaisse avec des coins arrondis, augmentant le rayon de coin de 0,75 mm à 4 mm. Cette amélioration augmente le rayon de courbure, favorisant une distribution plus uniforme du champ électrique. La distribution de l'intensité du champ électrique autour de la pointe de la lame d'isolement optimisée est illustrée à la Figure 7. D'après cette figure, il est évident que l'intensité maximale du champ électrique a été réduite à 3,66 kV/mm, environ la moitié de sa valeur initiale, indiquant une amélioration notable.

Selon la formule mentionnée ci-dessus f=Emax/Eav, le coefficient de non-uniformité du champ électrique après optimisation est de 7,32, soit environ la moitié de sa valeur avant optimisation.

Cela indique une amélioration significative de l'uniformité du champ électrique autour de la pointe de la lame d'isolement, démontrant que l'optimisation structurale a été efficace. Une comparaison des données avant et après l'optimisation de l'écran de gradation est présentée dans le Tableau 1. Comme on peut le voir dans le Tableau 1, la structure optimisée de l'écran de gradation réduit effectivement le risque de décharge de rupture entre les coupures d'isolement. Cependant, le champ électrique entre les coupures d'isolement reste fortement non uniforme, signifiant que sa tension de tenue est toujours déterminée par U50%(d). L'amélioration de la tension de tenue peut être confirmée par des tests sur site.

5 Vérification Expérimentale

Pour valider l'efficacité de l'analyse de simulation, des essais de décharge partielle ont été effectués sur un boîtier de dérivation à air isolé de 12 kV. Trois prototypes (numéros 1 à 3) ont été préparés. Des essais de décharge partielle ont d'abord été effectués avec les écrans de gradation d'origine (pré-optimisation) installés sur les lames d'isolement des trois unités. Ensuite, les écrans de gradation optimisés ont été installés, et les essais ont été répétés. Les données de décharge partielle résultantes sont présentées dans le Tableau 2.

Comme le montre le tableau, les niveaux de décharge partielle avant optimisation ont tous dépassé 20 pC, tandis que ceux après optimisation ont été réduits à moins de 4,5 pC. Cela indique que la structure optimisée de l'écran de gradation améliore efficacement les performances d'isolation du boîtier de dérivation et confirme la validité de la simulation et de l'analyse précédentes.

6 Conclusion

Sur la base de l'analyse du champ électrique de la coupure d'isolement dans un boîtier de dérivation à air isolé de 12 kV, les conclusions suivantes sont tirées :

• Étant donné que la capacité d'isolation de l'air est inférieure à celle du SF₆, l'amélioration de la distribution du champ électrique est essentielle pour améliorer les performances d'isolation lorsque l'air est utilisé comme milieu isolant dans les interrupteurs trois positions des boîtiers de dérivation.

• En raison de la complexité structurelle des composants mobiles (lames d'isolement) dans les interrupteurs trois positions des boîtiers de dérivation à air isolé, la distribution de l'intensité du champ électrique à certains endroits peut devenir fortement non uniforme. Pour réduire cette non-uniformité, des écrans de gradation peuvent être ajoutés de chaque côté de la lame d'isolement pour protéger les zones de champ élevé près des parties de connexion de la lame, déplaçant ainsi l'emplacement de l'intensité maximale du champ électrique vers les extrémités des écrans de gradation. Dans cette étude, l'augmentation du rayon de courbure à l'extrémité de l'écran de 0,75 mm à 4 mm a réduit à la fois l'intensité maximale locale du champ électrique et le coefficient de non-uniformité du champ électrique à environ la moitié de leurs valeurs initiales, atteignant l'effet d'optimisation souhaité.

• L'uniformité de la distribution du champ électrique, ou le coefficient de non-uniformité du champ électrique, influence considérablement les décharges partielles et de rupture. Les champs fortement non uniformes tendent à produire des décharges partielles stables (décharges de corona). Dans les champs légèrement et fortement non uniformes, un coefficient de non-uniformité plus élevé entraîne une tension de tenue plus faible entre les électrodes.