Conception optimisée de postes de commande à isolation gazeuse pour les zones d'altitude élevée
Les postes de distribution à isolation gazeuse sont des équipements compacts et extensibles adaptés aux systèmes d'automatisation de la distribution d'énergie électrique en moyenne tension. Ces dispositifs sont utilisés pour l'alimentation en réseau annulaire de 12 à 40,5 kV, les systèmes d'alimentation radiale double, et les applications d'alimentation terminale, servant de dispositifs de contrôle et de protection de l'énergie électrique. Ils sont également adaptés pour l'installation dans des postes de distribution enterrés.
En distribuant et en planifiant l'énergie électrique, ils assurent le fonctionnement stable des systèmes électriques. Les composants clés de ces dispositifs emploient des disjoncteurs ou des combinaisons de sectionneurs de charge et de fusibles, offrant des avantages tels qu'une structure simple, une petite taille, un coût réduit, une amélioration des paramètres et du rendement de l'alimentation, ainsi qu'une sécurité accrue de l'alimentation. Ils sont largement utilisés dans les postes de distribution et les postes de distribution enterrés au niveau des centres de charge tels que les communautés résidentielles urbaines, les immeubles de grande hauteur, les grandes installations publiques et les entreprises industrielles. Divers gaz isolants servent de milieu isolant, y compris SF₆, air sec, azote ou gaz mélangés, offrant une haute performance d'isolation et des avantages environnementaux, ce qui conduit à une application généralisée dans les systèmes électriques.
Les principaux composants de ce type de poste de distribution à isolation gazeuse sont installés dans un réservoir soudé hermétiquement rempli de gaz isolant (ci-après dénommé "compartiment à gaz"). Le compartiment à gaz est le composant clé des postes de distribution à isolation gazeuse. Sa fonction principale est de garantir que les composants haute tension à l'intérieur opèrent sans être affectés par des facteurs environnementaux externes tels que la contamination, l'humidité et la corrosion. Il garantit simultanément l'environnement de fonctionnement des composants et les performances électriques normales. Tous les composants internes sont protégés par le compartiment à gaz hermétique. Le compartiment est équipé de dispositifs de surveillance de la pression ou de la densité de gaz, tels que des manomètres ou des densimètres, mesurant généralement la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur du compartiment.
Cet article traite principalement des problèmes affectant les performances mécaniques et électriques des postes de distribution à isolation gazeuse dans les environnements d'altitude élevée.
1. Schémas de conception courants pour les postes de distribution à isolation gazeuse en altitude élevée et problèmes existants
Les postes de distribution à isolation gazeuse présentent des conceptions entièrement isolées, avec leurs circuits conducteurs principaux enfermés par un système entièrement isolé comprenant des compartiments à gaz scellés, des embases entièrement isolées pour les lignes d'entrée/sortie, et des abouts de câbles entièrement isolés. Puisque l'environnement interne du compartiment à gaz reste inchangé malgré les conditions externes, la densité de gaz et l'humidité restent constantes. Théoriquement, les performances d'isolation sont immunisées contre des facteurs externes tels que l'humidité, la contamination ou les gaz corrosifs. De même, les performances d'isolation des embases et des abouts de câbles - conçus avec des matériaux isolants tels que la résine époxy et le caoutchouc silicone - ne sont pas affectées par l'environnement externe. En apparence, les postes de distribution à isolation gazeuse conçus de manière conventionnelle semblent adaptables aux environnements de plateau, conduisant de nombreux fabricants à croire qu'ils répondent aux exigences opérationnelles en altitude élevée et à les déployer directement dans ces régions.
Actuellement, deux principaux schémas techniques sont utilisés lors de l'application des postes de distribution à isolation gazeuse dans les environnements d'altitude élevée :
1.1 Déploiement direct dans les zones d'altitude élevée
Concept de conception : Cette approche repose sur le principe que le circuit conducteur principal est entièrement enfermé par le système isolé (compartiment à gaz scellé, embases entièrement isolées, et abouts de câbles), rendant les performances d'isolation indépendantes des conditions d'altitude élevée.
Problèmes existants : En pratique, la diminution de la pression atmosphérique externe en altitude élevée augmente la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur du compartiment à gaz. Cela provoque une déformation importante du compartiment, affectant les performances mécaniques des composants électriques tels que les disjoncteurs et les interrupteurs. Cela peut entraîner des blocages opérationnels et des changements dans les caractéristiques mécaniques.
1.2 Réduction de la pression de gaz d'usine
Concept de conception : Pour répondre à l'augmentation de la différence de pression interne-externe en altitude élevée, ce schéma réduit la pression de gaz à l'intérieur du compartiment en usine. Lorsque l'unité arrive sur les sites d'altitude élevée, la pression atmosphérique réduite fait augmenter la différence de pression à la valeur requise par les spécifications techniques, faisant afficher au manomètre la pression de fonctionnement requise.
Problèmes existants : Cette conception réduit effectivement la densité du gaz isolant à l'intérieur du compartiment. Bien que le manomètre affiche la valeur conçue en altitude élevée, les performances d'isolation des gaz sont intrinsèquement liées à la densité du gaz selon la courbe de Paschen (voir Fig. 1) formulée par le physicien allemand Friedrich Paschen. La courbe de Paschen représente la fonction dérivée de la loi de Paschen. Son sens physique : La tension de rupture U (kV) est une fonction du produit de la distance entre les électrodes d (cm) et de la pression de gaz P (Torr), exprimée comme U = apd / [ln(Pd) + b] (voir Fig. 1), où a et b sont des constantes.
La signification principale de la courbe : Pour une distance d'isolation fixe, l'augmentation de la pression ou la réduction de la pression vers le vide (par exemple, 10⁻⁶ Torr) augmentent tous deux la tension de rupture du vide. À des pressions proches du vide, une réduction du niveau de vide (c'est-à-dire une augmentation de la densité de l'air) facilite la rupture électrique entre les électrodes. Au-delà d'un certain seuil de pression, les performances d'isolation s'améliorent progressivement lorsque la pression augmente. Dans cette phase (au-delà du point a dans la Fig. 1), la réduction de la pression - et donc de la densité du gaz - diminue la tension de rupture, signifiant que les performances d'isolation se détériorent. La plage de pression opérationnelle des postes de distribution à isolation gazeuse se situe entièrement dans cette région (la section au-delà du point a dans la Fig. 1).
1.3 Résumé des problèmes des conceptions conventionnelles en altitude élevée
L'augmentation de la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur du compartiment à gaz cause une déformation plus importante du compartiment, affectant le fonctionnement mécanique et les performances des interrupteurs.
Sous des conditions de différence de pression interne-externe accrue, les dispositifs de soulagement de pression sont plus susceptibles de s'activer.
Les manomètres mesurent la différence de pression relative entre l'intérieur et l'extérieur du compartiment de gaz. Les densimètres de gaz ajoutent une fonction de compensation de température aux manomètres. Aucun d'eux ne peut afficher avec précision la densité réelle du gaz à l'intérieur du compartiment en altitude élevée, bien que la densité du gaz soit intrinsèquement liée à la performance d'isolation.
La densité atmosphérique réduite en altitude élevée dégrade simultanément la performance d'isolation globale des composants d'isolation externes du compartiment de gaz.
2. Schéma de conception pour les unités principales annulaires isolées par gaz à haute altitude
Sur la base de l'analyse ci-dessus, bien que la structure entièrement isolée des unités principales annulaires isolées par gaz (avec des circuits conducteurs principaux entièrement enfermés dans des compartiments de gaz scellés, des embases entièrement isolées et des terminaisons de câbles entièrement isolées) maintienne théoriquement une performance d'isolation inchangée, elle est affectée par des facteurs qui se produisent en altitude élevée : une augmentation de la différence de pression interne-externe dans le compartiment de gaz, l'incapacité à réduire la densité du gaz isolant à l'intérieur du compartiment, et la nécessité d'une indication précise de la densité du gaz. Par conséquent, la clé de la conception pour les unités principales annulaires isolées par gaz en altitude élevée réside dans la conception du compartiment de gaz et du dispositif de décharge de pression, répondant aux exigences environnementales en altitude élevée pour les manomètres de compartiment de gaz, et résolvant la capacité d'isolation globale réduite des composants d'isolation externes en altitude élevée.
2.1 Conception du compartiment de gaz et du dispositif de décharge de pression pour les applications en altitude élevée
Pour résoudre ces problèmes techniques, cet article propose un concept de conception novateur pour les unités principales annulaires isolées par gaz en altitude élevée, différent des unités ordinaires sans conception spécialisée ou celles n'utilisant qu'une simple réduction de pression. Cette unité présente une conception ciblée dans les domaines suivants :
(1) Renforcement de la solidité structurelle du compartiment de gaz
Pour contrer l'augmentation de la différence de pression interne-externe due à l'altitude élevée, la solidité structurelle du compartiment de gaz est renforcée. Cela garantit que la déformation du compartiment en altitude élevée reste dans les spécifications techniques, assurant que la performance mécanique des composants haute tension à l'intérieur n'est pas affectée.
Selon le modèle de l'atmosphère standard internationale, la pression atmosphérique à une altitude donnée peut être calculée en utilisant la formule:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
où P est la pression atmosphérique à une altitude donnée ; P₀ est la pression atmosphérique standard au niveau de la mer ; H est l'altitude.
En prenant un exemple d'altitude de 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
En prenant un exemple typique d'unité principale annulaire isolée par SF₆ de 10 kV, la pression de conception du compartiment de gaz dans les zones non en altitude élevée est généralement de 0.07 MPa. En tenant compte de la pression atmosphérique réduite en altitude élevée, la pression de conception réelle du compartiment de gaz à 4000 m d'altitude peut être calculée comme suit:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Conception du dispositif de décharge de pression pour les applications en altitude élevée
Selon la dernière norme nationale GB/T 3906—2020 "Armoires et postes métalliques enveloppants pour courants alternatifs de tensions assignées supérieures à 3.6 kV et inférieures ou égales à 40.5 kV", la section 7.103 stipule que le compartiment de gaz des unités principales annulaires isolées par gaz doit résister 1,3 fois la pression de conception (P₁) pendant 1 minute sans activation du dispositif de décharge de pression. Si la pression continue d'augmenter entre 1,3 fois (P₁) et 3 fois (P₂) la pression de conception, le dispositif de décharge de pression peut s'activer. Cela est acceptable si cela répond aux spécifications de conception du fabricant. Après les tests, le compartiment de gaz peut se déformer mais ne doit pas se rompre.
La conception de la solidité du compartiment de gaz et du dispositif de décharge de pression selon ces exigences répond aux normes nationales. Les compartiments de gaz et les dispositifs de décharge de pression pour différentes altitudes peuvent tous être calculés et conçus en utilisant cette méthode:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
Par le renforcement structurel du compartiment de gaz — tels que l'utilisation de plaques d'acier plus épaisses ou l'ajout de raidisseurs — le compartiment répond pleinement aux exigences de solidité imposées par la différence de pression interne-externe accrue en altitude élevée. Cela évite les impacts sur la performance mécanique et électrique des interrupteurs haute tension à l'intérieur du compartiment causés par la déformation, assurant une opération stable à la pression de gaz nominale et offrant une performance mécanique et électrique identique dans les environnements en altitude élevée comme dans les zones de plaine.
Par le biais de calculs de conception et de validation expérimentale, l'augmentation de l'épaisseur et de la solidité de la membrane de décharge de pression renforce sa capacité de tolérance à la pression. Cela garantit que la plage de décharge de pression du compartiment de gaz respecte les exigences de plage de pression spécifiées, empêchant l'activation prématurée du dispositif de décharge de pression en raison de la différence de pression interne-externe accrue dans les environnements en altitude élevée. Cela maintient le niveau d'isolation interne et assure la performance électrique de l'unité principale annulaire.
2.2 Conception du dispositif d'indication de la densité de gaz pour les applications en altitude élevée
Le dispositif d'indication de la densité de gaz isolant utilise un densimètre scellé. Sa valeur affichée reste inchangée malgré les variations de température ou de pression atmosphérique externe.
Pour les unités principales annulaires isolées par gaz en altitude élevée, le densimètre sélectionné pour le compartiment de gaz est un densimètre scellé tout condition, insensible aux effets de température et d'altitude. Son principe de fonctionnement implique un élément de compensation à l'intérieur du densimètre permettant une compensation de température (non affectée par la température). Simultanément, la tête du compteur présente une structure scellée où la chambre scellée maintient une pression atmosphérique standard. La valeur de pression affichée par le densimètre représente la différence de pression entre l'intérieur du compartiment de gaz et la pression atmosphérique standard.
Cette conception garantit que l'échelle du densimètre installé sur le compartiment de gaz de l'unité de jonction en anneau reflète toujours avec précision la densité réelle du gaz à l'intérieur du compartiment. La valeur affichée reste inchangée par les variations de température et d'altitude, répondant pleinement aux exigences opérationnelles des régions en haute altitude.2.3 Conception des embases entièrement isolées pour les unités de jonction en anneau à isolation gazeuse en haute altitude
Outre l'impact sur le compartiment de gaz et les instruments de mesure, les hautes altitudes affectent également les composants entièrement isolés montés à l'extérieur tels que les embases d'entrée/sortie et les joints terminaux de câble. Les performances d'isolation de ces composants externes entièrement isolés dépendent à la fois de la résistance diélectrique du matériau isolant et de la résistance diélectrique de fuite par rapport au sol. En haute altitude, la diminution de la densité de l'air réduit la résistance diélectrique de fuite par rapport au sol. Dans les applications pratiques, les unités de jonction en anneau à isolation gazeuse conçues selon des méthodes conventionnelles échouent souvent aux tests de tension de tenue sous fréquence industrielle pour les composants d'isolation externes (par exemple, les embases isolantes ou les barres de liaison supérieures) après leur déploiement en haute altitude.
Pour résoudre ce problème, cet article propose un nouveau schéma de conception pour les embases entièrement isolées dans les unités de jonction en anneau à isolation gazeuse en haute altitude : l'ajout d'une couche de blindage mise à la terre à la surface extérieure de ces composants isolants. Cette conception améliore l'uniformité du champ électrique et empêche la décharge vers le sol des barres de circuit principal.
Dans un projet de poste de commutation extérieur de 10 kV à Nagqu, au Tibet, une entreprise a rencontré une situation lors des tests de réception où l'équipement ne pouvait passer qu'un test de tension de tenue sous fréquence industrielle de 29 kV/1 min par rapport au sol. Après l'ajout d'une couche de blindage mise à la terre à l'isolation extérieure des embases d'entrée/sortie et des barres de liaison externes du compartiment de gaz, l'équipement a satisfait à la norme nationale requérant 42 kV/1 min de tension de tenue sous fréquence industrielle par rapport au sol.
2.4 Résumé des points clés techniques
Les aspects de conception critiques pour les unités de jonction en anneau à isolation gazeuse en haute altitude sont les suivants :
Renforcer la solidité structurelle du compartiment de gaz en augmentant l'épaisseur de la tôle d'acier ou en ajoutant des raidisseurs pour satisfaire aux exigences de plage de pression tolérée et de limites de déformation dues à l'augmentation de la différence de pression interne-externe en haute altitude.
Améliorer la conception de la robustesse de la membrane de soulagement de pression dans le dispositif de soulagement de pression du compartiment de gaz. Une fois renforcée, elle satisfait aux exigences de plage de pression tolérée pour le dispositif de soulagement de pression sous une différence de pression interne-externe accrue en haute altitude.
Adopter des densimètres de type scellé pour les dispositifs d'indication de pression. Leurs valeurs affichées restent inchangées par les variations de température ou de pression atmosphérique externe, ce qui les rend adaptés aux environnements en haute altitude.
Concevoir une couche de blindage mise à la terre sur la surface extérieure des composants d'isolation externes du compartiment de gaz pour améliorer l'uniformité du champ électrique et prévenir la décharge vers le sol des barres de circuit principal.
3. Importance de la conception des unités de jonction en anneau à isolation gazeuse en haute altitude
Ce schéma de conception vise à fournir des unités de jonction en anneau à isolation gazeuse qui répondent véritablement aux exigences opérationnelles en haute altitude. En renforçant simultanément la solidité du compartiment de gaz, en améliorant la capacité de tolérance à la pression des dispositifs de soulagement de pression, en permettant une mesure précise de la densité de gaz interne et en concevant rationnellement les composants d'isolation associés, l'unité de jonction en anneau atteint une adaptabilité technique complète aux environnements en haute altitude. Cela assure les performances mécaniques et électriques de l'unité de jonction en anneau et permet le fonctionnement normal des unités de jonction en anneau à isolation gazeuse en haute altitude.
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