Brève Histoire du Passé et du Présent des Disjoncteurs à Vide de Haute Tension

Coupureurs à haute tension sous vide : un aperçu

Introduction

Les coupureurs à haute tension sous vide (HV VCBs) sont devenus une alternative viable aux coupureurs traditionnels isolés au gaz SF6, en particulier dans les applications nécessitant des commutations fréquentes et des coûts de maintenance réduits. Depuis 2014, les HV VCBs ont été de plus en plus adoptés comme alternative aux coupureurs à haute tension à gaz, offrant une solution plus verte et durable en éliminant l'utilisation du SF6, un puissant gaz à effet de serre.

Les équipements de commutation sous vide ont été largement utilisés dans les systèmes de distribution depuis plus de trois décennies, principalement pour la coupure des courants de défaut et le basculement des charges de différents types. La fiabilité et les performances de la technologie de commutation sous vide dans la gamme de tension moyenne (jusqu'à 52 kV) ont été exceptionnelles, conduisant à sa domination dans les systèmes de distribution. Cependant, les efforts pour étendre la technologie de commutation sous vide aux niveaux de tension de transport ont commencé dès les années 1960, avec des jalons significatifs atteints autour de 1980 lorsque les premiers coupureurs à haute tension sous vide ont été installés au Japon. En 2010, environ 10 000 HV VCBs étaient en service, principalement dans des environnements industriels mais aussi dans des applications d'utilité publique. La préférence pour la technologie sous vide par rapport au SF6 était motivée par sa capacité à gérer des opérations de commutation fréquentes et des exigences de maintenance réduites.

Aux États-Unis, des interrupteurs de bancs de condensateurs sous vide ont été utilisés pendant plusieurs décennies à des tensions allant jusqu'à 242 kV. Vers 2008, des programmes intensifs de recherche et développement (R&D) en Chine et en Europe visaient à développer des HV VCBs, en mettant l'accent sur la réduction ou l'élimination de l'utilisation du SF6. Cela a conduit à l'introduction de produits capables de fonctionner à des tensions allant jusqu'à 145 kV. En Chine, l'adoption rapide des HV VCBs dans des applications commerciales devrait se poursuivre, avec des centaines d'unités déjà en service à des niveaux de tension allant jusqu'à 126 kV. En Europe, des essais sur le terrain sont en cours pour valider les performances des dispositifs testés avant leur mise sur le marché.

Technologie et conception

Tous les produits HV VCB sont basés sur la technologie bien établie des interrompeurs sous vide de tension moyenne, qui a été affinée au fil des ans. Aucune nouvelle caractéristique technique fondamentale n'était nécessaire pour étendre cette technologie à des niveaux de tension plus élevés. Le défi principal réside dans l'adaptation de la géométrie de l'interrompeur pour accommoder les classements de tension plus élevés. Par exemple, le diamètre et la longueur de l'écartement des contacts doivent être augmentés pour gérer des tensions supérieures à 52 kV. Dans certains cas, pour des tensions dépassant 126 kV, deux écartements sous vide en série sont utilisés pour assurer un fonctionnement fiable.

Caractéristiques opérationnelles

• Gestion des courants normaux : Pour des courants normaux allant jusqu'à 2 500 A, il n'y a pas de différences significatives entre les HV VCBs et les coupureurs à SF6. Cependant, l'atteinte de classements de courant plus élevés (au-dessus de 2 500 A) dans les HV VCBs est difficile en raison de la génération de chaleur par la structure de contact et de la capacité limitée de transfert de chaleur de l'interrompeur.

• Surveillance : Il est plus facile de surveiller la qualité du milieu d'interruption dans les coupureurs à SF6, car le degré de vide dans les HV VCBs ne peut pas être pratiquement surveillé pendant le service.

• Opérations de commutation : Les HV VCBs peuvent effectuer un nombre plus élevé d'opérations de commutation par rapport aux coupureurs à SF6 en raison de la meilleure endurance du système de contact sous vide face à l'arc. Cela rend la technologie sous vide particulièrement attrayante pour les applications nécessitant des commutations fréquentes, telles que les opérations quotidiennes.

• Énergie de commande : À un classement typique de 72,5 kV, l'énergie de commande requise pour un coupureur sous vide est significativement inférieure - environ 20 % de celle requise pour un coupureur à SF6 équivalent. Les tailles physiques des deux types de dispositifs sont comparables.

• Configuration de l'interrompeur : Au-dessus de 145 kV, les HV VCBs peuvent nécessiter plus d'un interrompeur en série, tandis que la technologie SF6 a réussi à mettre en œuvre des coupureurs monobloc jusqu'à 550 kV depuis 1994, qui sont largement utilisés dans de nombreux pays.

• Caractéristiques de l'arc : La tension d'arc dans les HV VCBs est beaucoup plus faible que dans les coupureurs à SF6, généralement comprise entre quelques dizaines de volts par rapport à plusieurs centaines de volts dans les coupureurs à SF6. De plus, la durée de l'arc lors de la coupure de défaut est plus courte dans les équipements sous vide, avec un temps d'arc minimal de 5 à 7 ms par rapport à 10 à 15 ms pour les coupureurs à SF6. Cela entraîne un nombre plus élevé d'opérations de commutation possibles pour les HV VCBs.

• Émissions de rayons X : Les HV VCBs avec des tensions nominales allant jusqu'à 145 kV émettent des rayons X dans la limite standardisée de 5 µSv/h dans des conditions de fonctionnement normales. Les coupureurs à SF6 ne produisent pas de rayons X.

Caractéristiques électriques

• Interruption des courants de défaut : Les HV VCBs excellent dans l'interruption des courants de défaut avec des taux de montée très raides de la tension de récupération transitoire (TRV) en raison de leur récupération diélectrique rapide, qui est plus rapide que celle des coupureurs à SF6.

• Statistiques de rupture : Bien que les écartements sous vide aient théoriquement des tensions de rupture très élevées, il y a une petite probabilité de rupture à des tensions relativement modérées. Les écartements sous vide peuvent également subir des ruptures spontanées tardives, se produisant jusqu'à plusieurs centaines de millisecondes après l'interruption du courant. Cependant, les conséquences de ces événements sont limitées car l'écartement sous vide restaure immédiatement son isolation. Les implications systémiques des ruptures tardives ne sont pas encore entièrement comprises.

• Commutation des charges inductives : Dans les applications impliquant des charges inductives, telles que la commutation des réactances shunt, les HV VCBs ont tendance à subir un nombre plus élevé de re-allumages répétés à un zéro de courant de fréquence de réseau. Cela est dû à la capacité du vide à interrompre les courants de haute fréquence qui suivent le re-allumage. Les effets de ces transitoires de re-allumage sur les appareils interactifs, tels que les amortisseurs RC et les parafoudres à oxyde métallique, font actuellement l'objet d'une enquête.

• Commutation des bancs de condensateurs : Lors de la commutation des bancs de condensateurs, il est crucial d'éviter des courants d'entrée très élevés, car ils peuvent dégrader les propriétés diélectriques du système de contact par des arcs précurseurs. Ce défi s'applique à la fois aux HV VCBs et aux coupureurs à SF6. Les stratégies d'atténuation incluent l'utilisation de réactances en série ou de commutation contrôlée, bien qu'il y ait une expérience limitée sur le terrain avec ce dernier pour les HV VCBs.

Perspectives futures et perception du marché

Une enquête menée auprès des utilisateurs d'équipements de commutation à haute tension a révélé que l'absence de SF6 est perçue comme l'avantage principal de la commutation sous vide, à condition que l'isolation externe soit également exempte de SF6. Cependant, le manque d'expérience de service étendue aux niveaux de tension de transport reste une hésitation majeure pour l'adoption généralisée des HV VCBs. Malgré cela, les avantages environnementaux et opérationnels de la technologie sous vide stimulent l'intérêt continu et le développement dans ce domaine.

Les utilisateurs potentiels de coupureurs à haute tension sous vide (HV VCBs) soulèvent fréquemment des préoccupations concernant la génération de surtensions dues à la découpe de courant et la possibilité d'émissions de rayons X lors des opérations de commutation. Ces problèmes sont cruciaux pour assurer le fonctionnement sûr et fiable des HV VCBs, en particulier alors qu'ils sont de plus en plus considérés pour des applications de tension de transport.

Émission de rayons X

Pour les dispositifs monobloc, les émissions de rayons X des HV VCBs avec des tensions nominales allant jusqu'à et y compris 145 kV restent bien en dessous de la limite standardisée de 5 µSv/h dans des conditions de fonctionnement normales. Les dispositifs multibloc présentent même des niveaux d'émissions de rayons X encore plus faibles. C'est une considération importante pour la conformité réglementaire et la sécurité, car elle garantit que les HV VCBs peuvent être déployés sans poser de risques de radiation significatifs pour le personnel ou l'environnement.

Projets pilotes

Une grande majorité des répondants a exprimé un fort intérêt à lancer des projets pilotes pour acquérir une expérience pratique avec la technologie HV VCB. Ces projets permettraient aux services publics et aux opérateurs de systèmes d'évaluer les performances, la fiabilité et les caractéristiques opérationnelles des HV VCBs dans des conditions réelles. Des réseaux solidement mis à la terre sont recommandés pour ces projets pilotes, car les conditions de réseau dans les systèmes de tension moyenne ne sont pas toujours comparables à celles des réseaux de tension de transport, en particulier en ce qui concerne les conditions de mise à la terre. Cette approche aidera à s'assurer que les expériences acquises sont pertinentes et applicables aux applications de niveau de transport.

Standardisation

La norme actuelle IEC pour les coupureurs, IEC 62271-100, met l'accent sur la technologie de commutation SF6, qui peut ne pas aborder pleinement les caractéristiques et les défis uniques de la commutation sous vide. Par exemple, les tests qui sont difficiles pour le SF6, tels que les tests de défaut sur ligne courte, peuvent ne pas être aussi critiques pour la technologie sous vide. Inversement, l'application de la tension de récupération continue dans les tests synthétiques, qui est moins pertinente pour le SF6, pourrait être plus importante pour démontrer l'absence de rupture tardive dans les interrompeurs sous vide. Alors que les HV VCBs gagnent en traction, il peut y avoir besoin de réviser ou de compléter les normes existantes pour mieux accommoder la technologie sous vide.

Implications techniques de la conception sans SF6

Lorsque le SF6 est absent en tant que milieu d'isolation externe, d'autres implications techniques doivent être prises en compte. Par exemple, des méthodes d'isolation alternatives peuvent nécessiter une pression plus élevée, un poids accru, une empreinte plus grande, ou des considérations de conception différentes pour assurer des performances d'isolation adéquates. Les fabricants explorent activement ces alternatives pour développer des remplacements viables pour le SF6, mais jusqu'à ce qu'une nouvelle technologie capable de couvrir tous les classements de tension soit trouvée, le SF6 restera probablement essentiel pour certaines applications de réseau de transport.

Engagement des fabricants

Les fabricants sont engagés dans le développement et la mise à disposition d'alternatives industriellement viables à la technologie SF6. Bien que le SF6 ait été le gaz d'isolation dominant pour les applications à haute tension en raison de ses excellentes propriétés diélectriques, les préoccupations environnementales associées au SF6, en particulier son potentiel de réchauffement global élevé, ont stimulé la recherche de solutions plus vertes. Les HV VCBs représentent une telle solution, offrant une alternative durable pour les applications nécessitant des commutations fréquentes et une maintenance réduite. Cependant, la transition vers l'abandon du SF6 sera progressive, car les fabricants continuent d'innover et d'affiner de nouvelles technologies pour répondre aux besoins diversifiés de l'industrie électrique.