Conception d'un nouveau poste de jonction à isolation gazeuse respectueux de l'environnement pour 12 kV

1. Conception Spécifique

1.1 Concept de Conception

La Corporation d'État de la Grille de Chine promeut activement l'économie d'énergie et le développement à faible émission de carbone dans les réseaux électriques pour atteindre les objectifs nationaux de pic de carbone (2030) et de neutralité (2060). Les unités de distribution en anneau à isolation gazeuse respectueuses de l'environnement représentent cette tendance. Une nouvelle unité de distribution en anneau intégrée à isolation gazeuse écologique de 12 kV a été conçue en combinant la technologie des disjoncteurs à vide avec des interrupteurs de sectionnement à trois positions et des disjoncteurs à vide. La conception a utilisé SolidWorks pour la modélisation 3D avec une structure modulaire (réservoir de gaz, chambres de décompression, corps du coffret, salles d'instruments). L'unité est composée de compartiments métalliques séparés (salle des mécanismes, salle des disjoncteurs, salle des câbles, salle des instruments), chacun ayant des canaux de décompression indépendants. La conception supporte à la fois les configurations d'unité indépendante et de boîtier commun.

1.2 Intégration de l'Interrupteur de Sectionnement à Trois Positions et du Disjoncteur à Vide 

L'intégration des interrupteurs de sectionnement à trois positions et des disjoncteurs à vide est essentielle à cette conception, comprenant des dispositifs de sectionnement supérieurs à trois positions et des dispositifs de disjoncteurs inférieurs à deux positions. L'interrupteur de sectionnement fonctionne en position de terre, fermée et isolée, tandis que le disjoncteur fonctionne en états ouvert/fermé. Le cadre de support de la lame d'isolement utilise un matériau nylon de haute résistance avec une bonne résistance à la rupture et à la chaleur. La technologie de ressorts disque Mubea fournit la pression de contact. 

Un couvercle uniforme sur les contacts mobiles assure l'uniformité du champ électrique et réduit la décharge partielle. Des couvercles isolants sur les embases triphasées améliorent l'isolation interphase. Au cours des tests, de nombreuses optimisations ont assuré les caractéristiques mécaniques appropriées (profondeur d'engagement, rebond, synchronisation triphasée, vitesse de fonctionnement). Le disjoncteur à vide dispose de pôles scellés solidement montés avec quatre vis. 

Le terminal de l'interrupteur à vide sert de centre de rotation pour la lame de l'interrupteur de sectionnement, avec un bras de levier en plastique en forme de Z utilisant le principe de levier pour l'opération. Les barres de cuivre avec surfaces vulcanisées connectent les bornes inférieures du disjoncteur. Comme le montre la Figure 1, cette conception intégrée reconnaît l'interrupteur à vide comme le composant central déterminant la fiabilité globale, avec la structure de contact et la méthode d'extinction d'arc étant des éléments de conception critiques.

Pour réaliser la miniaturisation et améliorer la fiabilité, des contacts en forme de tasse avec des bobinages et des noyaux magnétiques générant un champ magnétique longitudinal ont été mis en œuvre. Contrairement aux champs magnétiques transversaux, les champs longitudinaux augmentent le courant de transition de l'arc diffus à l'arc confiné, offrant une usure électrique minimale, une durée de vie prolongée et une capacité de coupure supérieure. Le champ magnétique rotatif généré par le courant alternatif triphasé se combine avec le champ longitudinal du contact en forme de tasse pour former des courants de Foucault qui réduisent la tension d'arc et distribuent l'arc uniformément sur la surface de l'anode. Cette conception augmente la capacité de coupure en court-circuit de 20 kA à 25 kA pour un volume identique.

1.3 Mécanisme de Fonctionnement de l'Interrupteur

Le mécanisme de fonctionnement de l'interrupteur, monté directement sur le devant du réservoir d'isolation, entraîne à la fois le disjoncteur à vide et l'interrupteur de sectionnement à trois positions via des connexions d'arbres directes sans composants intermédiaires. Cette conception minimise le temps d'ouverture du disjoncteur à vide pour prévenir l'érosion des contacts. Le mécanisme prend en charge les opérations manuelles et électriques avec un stockage d'énergie basé sur le principe de la butée libre. L'interrupteur de sectionnement à trois positions utilise un entraînement par ressort de torsion avec une conception de rotation coaxiale assurant la synchronisation triphasée et une performance fiable de l'interrupteur de mise à la terre. Ses deux trous d'opération contrôlent séparément les fonctions de mise à la terre et d'isolement.

1.4 Circuit Principal 

Le circuit principal—composé d'embases de câble, de lames d'interrupteur de sectionnement, de contacts d'interrupteur à vide, de connexions flexibles et de barres de cuivre—est scellé dans un réservoir en acier inoxydable à l'aide de joints lèvre pour les parties dynamiques et de joints toriques pour le scellement statique, rempli d'azote ou d'air sec à 0,02 MPa. La conception intégrée longitudinale de l'interrupteur de sectionnement à trois positions et du disjoncteur à vide permet un retrait modulaire. Les distances entre phases sont maintenues à 150 mm pour une isolation adéquate. Le terminal de l'interrupteur à vide sert de centre de rotation pour la lame de l'interrupteur de sectionnement, avec des bras de levier en plastique en forme de Z traduisant le mouvement du mécanisme de fonctionnement en mouvement des contacts.

1.5 Réservoir de Gaz et Chaîne de Production

La conception du réservoir de gaz a privilégié la fabrication précise et l'étanchéité. La découpe laser garantit des composants en acier inoxydable sans bavures, tandis que la soudure robotisée garantit l'intégrité des coutures et la résistance mécanique. La production utilise une disposition linéaire avec des véhicules de transport sur rail se déplaçant entre les postes de travail pour optimiser l'efficacité du flux de travail.

2 Analyse de l'Isolation 

2.1 Isolation de l'Interrupteur de Sectionnement à Trois Positions

La conception de type couteau à trois positions offre des points de déconnexion visibles et une mise à la terre fiable. L'utilisation d'un matériau nylon de haute résistance pour l'arbre de rotation et des couvercles d'équilibrage en aluminium sur les têtes de lame améliore l'uniformité du champ. Les simulations et les tests ont confirmé que les performances d'isolation résistent à une impulsion de foudre de 90 kV.

2.2 Isolation Générale au Sol

L'analyse s'est concentrée sur les zones critiques : les espacements phase-phase et phase-réservoir (distance centrale minimale de 125 mm), et les composants isolants. Le placement stratégique de l'isolation solide dans les zones de haut champ et de l'isolation gazeuse dans les zones de bas champ optimise la distribution du champ. Des mesures supplémentaires incluent l'encapsulation en époxy des contacts, l'amélioration des matériaux des bras Z, des tiges isolantes en fibre et des couvercles de blindage aux connexions des barres de cuivre pour prévenir la concentration du champ.

3 Conclusion 

La nouvelle unité de réseau en anneau à isolation gazeuse respectueuse de l'environnement combine l'extinction d'arc sous vide avec l'isolation par gaz écologique, offrant une étanchéité complète, une opération sans maintenance, une taille compacte et une isolation totale. Tous les composants haute tension sont scellés dans la cuve en acier inoxydable, ce qui la rend adaptée aux applications extérieures et intérieures, y compris les postes de commutation, les salles de distribution et les postes de transformation en boîtier. Conçue pour des systèmes triphasés CA 50Hz, 12kV, elle offre une distribution électrique fiable pour les applications résidentielles, commerciales, industrielles, de transport et d'infrastructure, avec d'excellentes caractéristiques de fiabilité, d'adaptabilité environnementale et de sécurité.