Normes nord-américaines : Une comparaison entre les normes IEEE et chinoises pour les tableaux de distribution

La norme IEEE Std C37.20.9™ définit les exigences de conception, d'essai et d'installation pour le matériel de commutation métallique à isolation gazeuse (MEGIS) utilisant un gaz sous pression supérieure à la pression ambiante comme principal moyen d'isolation pour des systèmes en courant alternatif de 1 kV à 52 kV. Cela inclut, sans s'y limiter, les disjoncteurs, les interrupteurs, les embases, les barres de connexion, les transformateurs de mesure, les terminaisons de câbles, les compteurs et les relais de commande/protection. Dans ces ensembles de matériel de commutation, des compartiments verticaux - certains ou tous les sections de moyenne tension - sont principalement isolés par un gaz sous pression. La norme s'applique aux installations intérieures et extérieures.

Historiquement, le type dominant de matériel de commutation sur le marché américain a été le matériel de commutation métallique à isolation à air. Pour les applications de distribution en anneau, des transformateurs américains à montage au sol ont été couramment utilisés, où les composants haute tension tels que les interrupteurs de charge et les fusibles haute tension sont logés avec le noyau et les enroulements du transformateur dans un réservoir rempli d'huile à point d'inflammation élevé, ou alternativement, des interrupteurs de charge à isolation à air sont utilisés. Par conséquent, l'adoption du matériel de commutation à isolation gazeuse aux États-Unis s'est produite relativement tardivement.

Avec l'introduction du matériel de commutation à isolation gazeuse par des fabricants européens tels qu'ABB et Schneider Electric sur le marché américain, les clients ont commencé à accepter et adopter cette technologie. En conséquence, la norme IEEE pour le matériel de commutation à isolation gazeuse a été développée plus tard et n'a été officiellement publiée qu'en 2019. Cette norme est largement basée sur les normes IEC mais a été modifiée concernant les paramètres, la construction et les exigences d'essai pour s'aligner sur l'IEEE C37.20.2 et d'autres normes IEEE pertinentes, en particulier pour répondre aux exigences de sécurité de l'IEEE pour les équipements.

1. Conditions environnementales d'utilisation

a) Température de fonctionnement : maximum +40 °C ; moyenne sur 24 heures ne dépassant pas +35 °C ; minimum –5 °C.
b) Altitude : ne dépassant pas 3 300 pieds (1 000 mètres).
c) Degré de protection de l'enveloppe : NEMA 250 Type 1 (IP20) pour usage intérieur ; Type 3R (IP24) pour usage extérieur.

Selon la norme GB/T 11022, le matériel de commutation intérieur en Chine est classé en trois catégories de température ambiante minimale : –5 °C, –15 °C et –25 °C. La température de fonctionnement minimale spécifiée dans l'IEEE C37.20.9 pour le matériel de commutation à isolation gazeuse (–5 °C) est supérieure à celle spécifiée dans l'IEEE C37.20.2 pour le matériel de commutation à isolation à air (–30 °C). Par conséquent, le matériel de commutation à isolation gazeuse conforme aux normes chinoises peut pleinement satisfaire aux exigences environnementales de l'IEEE C37.20.9.

Le tableau 1 ci-dessous montre les exigences de l'IEEE C37.20.9 pour la tension nominale, la tension de tenue à fréquence industrielle et la tension de tenue à impulsion atmosphérique pour le matériel de commutation à isolation gazeuse.

Tableau 1 – Tensions d'isolement pour le matériel de commutation à isolation gazeuse selon l'IEEE C37.20.9

Les tensions nominales des appareils de coupure selon les normes nord-américaines diffèrent de celles en Chine. Par conséquent, les postes de commande et de distribution à isolation gazeuse (GIS) doivent se conformer aux exigences de tension d'isolement à fréquence industrielle et de tension d'impulsion de foudre spécifiées dans les normes IEEE. Par exemple, un armoire GIS de 12 kV conçue selon les normes chinoises ne peut répondre qu'aux exigences de test diélectrique pour la classe de tension de 4,76 kV selon les normes américaines, tandis qu'une armoire GIS chinoise de 24 kV peut satisfaire aux exigences d'isolement pour les classes de tension jusqu'à et y compris 27 kV.

La norme IEEE Std 386™-2016 spécifie les exigences pour les connecteurs isolés séparables utilisés dans les systèmes de distribution allant de 2,5 kV à 35 kV - communément connus sous le nom de norme du "connecteur coudé américain". Ces connecteurs sont largement utilisés dans l'équipement conforme aux normes américaines tels que les transformateurs montés sur socle et les boîtes de distribution de câbles. En revanche, les postes de commande et de distribution à isolation gazeuse chinois utilisent généralement des goulottes de câbles et des embases conformes à la norme EN 50181. La norme IEEE pour les postes de commande et de distribution à isolation gazeuse inclut des exigences de test diélectrique spécifiques pour divers types d'accessoires de terminaison de câble.

2 Intensité nominale
Les valeurs recommandées pour l'intensité continue nominale des barres principales dans les postes de commande et de distribution à isolation gazeuse IEEE (MEGIS) sont 200 A, 600 A, 1200 A, 2000 A, 2500 A, 3000 A et 4000 A - ce qui diffère des valeurs courantes en Chine comme 630 A, 1250 A et 3150 A.

3 Fréquence nominale
La norme IEEE spécifie une fréquence nominale de 60 Hz, alors que la fréquence standard en Chine est de 50 Hz. La fréquence plus élevée de 60 Hz a un impact significatif sur la montée en température et la performance de coupure de court-circuit. Selon la norme GB/T 11022, pour les appareillages de commande et de distribution avec une fréquence nominale de 50 Hz ou 60 Hz - à condition qu'il n'y ait pas de composants ferromagnétiques près des parties conductrices - si la montée en température mesurée lors d'un essai de courant continu à 50 Hz ne dépasse pas 95 % de la limite maximale admissible, l'équipement est considéré conforme pour les deux fréquences, c'est-à-dire qu'il répond également à l'exigence de montée en température de 60 Hz.

Cependant, en raison de la dissipation thermique limitée des postes de commande et de distribution à isolation gazeuse et de leur marge thermique relativement faible, des améliorations de conception sont souvent nécessaires pour satisfaire aux exigences de 60 Hz. Les produits qui ont passé l'essai de montée en température à 1,1 fois l'intensité nominale selon les normes chinoises peuvent généralement répondre à l'exigence de 60 Hz.

4 Courant de court-circuit nominal à courte durée et courant de crête nominal de court-circuit
Les valeurs recommandées de courant de court-circuit nominal à courte durée pour les postes de commande et de distribution à isolation gazeuse IEEE sont indiquées dans le tableau 3. Contrairement aux normes chinoises, qui spécifient une durée de court-circuit de 3 s ou 4 s, la norme IEEE définit une durée de court-circuit de 2 secondes.

De plus, parce que le système IEEE fonctionne à 60 Hz (contrairement à 50 Hz), le courant de crête nominal de court-circuit est défini comme étant 2,6 fois le courant de court-circuit nominal à courte durée. Par exemple, un courant de court-circuit nominal à courte durée de 31,5 kA correspond à un courant de crête nominal de 82 kA - légèrement supérieur au 80 kA typiquement utilisé en Chine. Pour résister aux forces électrodynamiques générées par ces courants de crête de court-circuit, la pression de contact et la solidité mécanique des composants tels que les contacts doivent être renforcées.

Tableau 2 – Valeurs recommandées de courant de court-circuit nominal à courte durée pour les postes de commande et de distribution à isolation gazeuse IEEE