Tendances de développement les plus récentes des disjoncteurs haute tension à gaz alternatif au SF₆

1. Introduction
Le SF₆ est largement utilisé dans les systèmes de transmission et de distribution d'électricité, tels que les postes de coupure à gaz isolant (GIS), les disjoncteurs (CB) et les interrupteurs de charge à moyenne tension (MV). Il possède des capacités uniques d'isolation électrique et d'extinction d'arc. Cependant, le SF₆ est également un puissant gaz à effet de serre, avec un potentiel de réchauffement global d'environ 23 500 sur une période de 100 ans, et son utilisation est donc réglementée et fait l'objet de discussions en cours concernant des restrictions. Par conséquent, des recherches sur des gaz alternatifs pour les applications électriques ont été menées depuis environ deux décennies.

Le "Club Zéro" (CZC), en coopération avec CIGRE, a récemment lancé une initiative pour évaluer l'état de l'art des gaz alternatifs au SF₆ pour les applications de commutation. Un sondage a été réalisé pour recueillir toute la littérature récente disponible sur ce sujet. Les résultats ont été présentés et discutés lors d'une session conjointe pendant la Session CIGRE en 2016. Cet article présente les principales conclusions de ce sondage. Comme la technologie de commutation sous vide constitue une activité distincte en cours, elle ne sera pas abordée dans cette revue.

2. Gaz alternatifs

Suite à l'adoption du Protocole de Kyoto en 1997, la recherche sur les gaz alternatifs s'est intensifiée et s'est encore accrue au cours de la dernière décennie. Les exigences clés pour les gaz alternatifs ont été identifiées comme suit : faible potentiel de réchauffement global (GWP), absence de potentiel de déplétion de la couche d'ozone (ODP), faible toxicité, non-inflammabilité, forte résistance diélectrique, haute capacité d'extinction d'arc et de dissipation de chaleur, stabilité chimique, compatibilité matérielle et disponibilité sur le marché.

Parmi les divers gaz d'origine naturelle étudiés, le CO₂ s'est avéré être le gaz d'extinction d'arc le plus prometteur, sa performance pouvant être améliorée par des additifs tels que l'O₂ ou le CF₄. Cependant, des études ont montré que les performances d'interruption et d'isolation du CO₂ sont inférieures à celles du SF₆. D'autres candidats intéressants ont été identifiés parmi les gaz fluorés, tels que le CF₃I, les hydrofluoroalcools (HFO-1234ze et HFO-1234yf), les pentafluorokétones (par exemple, C₅F₁₀O), les pentafluoronitriles (C₄F₇N), les éthers fluorés (HFE-245cb2), les époxydes fluorés et les hydrochlorofluoroalcools (HCFO-1233zd).

En tenant compte de toutes les exigences, les candidats les plus prometteurs actuels sont la pentafluorokétone C₅ (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ ou C₅-PFK) et la nitrile iso-C₄ perfluoré ((CF₃)₂CF-CN ou C₄-PFN). Pour les gaz purs, la performance diélectrique est proportionnelle au point d'ébullition - c'est-à-dire que les gaz ayant une forte résistance diélectrique ont généralement des points d'ébullition élevés. À 0,1 MPa, les points d'ébullition de la C₅-PFK et de la C₄-PFN sont respectivement de 26,5°C et –4,7°C. Par conséquent, pour les applications d'équipements de commutation nécessitant des points d'ébullition suffisamment bas pour répondre aux exigences opérationnelles à basse température, des gaz tampons doivent être ajoutés. En raison de sa bonne capacité d'extinction d'arc, le CO₂ est sélectionné comme gaz tampon dans les applications à haute tension. Dans les applications à moyenne tension, il a également été signalé que l'air était utilisé comme gaz tampon en combinaison avec la C₅-PFK à des fins d'isolation.

3. Propriétés des gaz purs et des mélanges de gaz

Le tableau 1 présente les propriétés de certains gaz alternatifs par rapport au SF₆. Les GWP de ces gaz varient considérablement : la C₄-PFN présente un GWP beaucoup plus élevé que le CO₂ ou la C₅-PFK, qui ont tous deux un GWP d'environ 1. Tous les gaz candidats d'intérêt sont non-inflammables, ont un ODP nul et sont signalés comme non toxiques selon les fiches techniques et de sécurité fournies par les fabricants de produits chimiques. La résistance diélectrique pure de la C₄-PFN et de la C₅-PFK est presque deux fois supérieure à celle du SF₆. La tension de tenue diélectrique du CO₂ est comparable à celle de l'air - c'est-à-dire significativement inférieure à celle du SF₆.

Tableau 1 : Comparaison des propriétés des gaz purs avec le SF₆

Le tableau 2 montre les caractéristiques des gaz et des mélanges de gaz lorsqu'ils sont utilisés dans les équipements de commutation. Les concentrations de C₄-PFN et C₅-PFK dans les mélanges avec des gaz tampons sont indiquées dans la deuxième colonne, généralement inférieures à 13 % (concentration molaire). Il convient de noter que pour l'utilisation de C₅-PFK dans le CO₂, des additifs d'oxygène ont également été rapportés, car la présence d'oxygène peut réduire la formation de sous-produits nuisibles (tels que le CO) et de sous-produits solides (tels que la suie).

Tableau 2 : Caractéristiques/Performances des Gaz Purs et des Mélanges de Gaz dans les Applications de Matériel de Commutation Moyenne et Haute Tension

En raison de la tension diélectrique réduite des mélanges par rapport au SF₆ à la même pression (Colonne 6), la pression minimale d'exploitation pour le C₅-PFK et le C₄-PFN avec du CO₂ comme gaz tampon dans les applications haute tension doit être augmentée à environ 0,7–0,8 MPa. Pour les applications moyenne tension utilisant des mélanges air/C₅-PFK, une pression de 0,13 MPa peut être maintenue, atteignant une tension diélectrique proche de celle du SF₆.

La haute tension diélectrique obtenue avec des ratios de mélange relativement faibles de C₄-PFN ou de C₅-PFK peut s'expliquer par un effet synergique—c'est-à-dire que la résistance diélectrique augmente de manière non linéaire avec la concentration d'additif, un phénomène observé précédemment dans les mélanges SF₆/N₂. Le potentiel de réchauffement global (PRG) des mélanges C₅-PFK est négligeable, mais cela se fait au détriment d'une température minimale d'exploitation plus élevée. Les applications à basse température (par exemple, –25°C) peuvent être traitées en utilisant soit du CO₂ pur, soit des mélanges CO₂ + C₄-PFN, bien qu'avec des compromis : une tension diélectrique significativement réduite dans le cas du CO₂ pur, ou un PRG substantiellement plus élevé lors de l'utilisation de mélanges C₄-PFN.

4. Performance de commutation des gaz alternatifs
Le tableau 3 compile des informations préliminaires sur la performance de commutation du CO₂ pur et des mélanges à base de CO₂, la performance du SF₆ étant fournie pour comparaison. En augmentant la pression d'exploitation par rapport au SF₆, la résistance diélectrique froide—utilisée, par exemple, comme mesure de la performance de commutation capacitif—peut être portée au niveau du SF₆.

Tableau 3 : Comparaison de la performance de commutation des gaz et des mélanges gazeux à des pressions d'exploitation élevées par rapport au SF₆ dans les applications haute tension

Dans la littérature examinée, seules des déclarations qualitatives concernant les performances de commutation des mélanges C₄-PFN et C₅-PFK ont été trouvées. Pour le CO₂, certaines comparaisons quantitatives sont disponibles. En général, avec du CO₂ pur à une pression de remplissage augmentée d'environ 1 MPa, on peut s'attendre à des performances d'isolation et d'interruption de défauts de ligne courte (SLF) d'environ deux tiers de celles du SF₆.

En ajoutant de l'O₂ au CO₂ (avec des rapports de mélange allant jusqu'à 30 %), on peut prévoir une amélioration des performances d'interruption SLF et une légère augmentation de la résistance diélectrique. L'ajout de C₄-PFN ou de C₅-PFK au CO₂ permet d'atteindre des performances diélectriques approchant celles du SF₆. Des études rapportent que les performances de commutation SLF des mélanges CO₂/O₂/C₅-PFK sont d'environ 20 % inférieures à celles du SF₆. En revanche, il a été affirmé que des disjoncteurs spécifiquement adaptés aux mélanges CO₂/C₄-PFN peuvent atteindre des performances SLF comparables à celles du SF₆.

Cependant, il existe également des études qui comparent directement le CO₂ pur avec les mélanges CO₂/C₄-PFN et CO₂/C₅-PFK dans des conditions géométriques et de pression identiques, montrant des performances d'interruption thermique similaires pour le CO₂, avec ou sans additifs. Avec de légères modifications de conception ou une modeste déclassement, ces nouveaux mélanges ont réussi avec succès les essais IEC L90 (SLF) et T100 (défaut de bout 100 %), indiquant que leurs performances de commutation ne sont pas significativement inférieures à celles du SF₆. Cela a également été démontré pour la fonction d'interruption des disjoncteurs.

On s'attend à des améliorations futures des performances de commutation grâce à des optimisations de conception dédiées. Un problème important est la toxicité des gaz après l'arc électrique. Le C₅-PFK et le C₄-PFN sont des molécules complexes qui commencent à se décomposer à environ 650 °C dans le cas du C₄-PFN. Lors de la décomposition, ces molécules ne reforment pas leur structure originale mais forment de plus petits fragments. Un taux de décomposition de 0,5 mol/MJ a été rapporté pour les mélanges CO₂/O₂/C₅-PFK lors de l'interruption de courants élevés. Pour les décharges partielles, le taux de décomposition a été observé comme étant plus d'un ordre de grandeur inférieur à la valeur ci-dessus.

Le comportement de décomposition de ces nouveaux gaz n'est pas directement comparable à celui du SF₆, qui se décompose principalement en raison de réactions chimiques avec les matériaux de contact et de buse érodés. Pour les nouveaux gaz, la décomposition sur la durée de vie de l'équipement n'est pas considérée comme un problème critique, mais la concentration de gaz à l'intérieur de l'équipement doit être surveillée ou vérifiée périodiquement. Les produits de décomposition les plus toxiques dans les applications haute pression (c'est-à-dire les mélanges avec CO₂) sont le CO et le HF. Les sous-produits de l'arc de ces mélanges sont considérés comme ayant une toxicité similaire ou inférieure à celle du SF₆ décomposé par l'arc. Par conséquent, des procédures de manipulation similaires à celles utilisées pour le SF₆ exposé à l'arc sont recommandées.

Il convient cependant de noter que les déclarations ci-dessus sont basées sur des connaissances limitées de la toxicité de ces nouveaux gaz. Plus d'expérience est nécessaire concernant la toxicité post-arc des alternatives potentielles au SF₆. D'autres préoccupations signalées incluent la compatibilité des matériaux (par exemple, les effets sur les joints et les graisses), l'intégrité de la serrure de gaz et les procédures de manipulation de gaz. Par conséquent, on ne peut pas s'attendre à ce que les équipements haute tension existants fonctionnent en toute sécurité avec ces nouveaux gaz sans modifications appropriées de conception ou de matériaux.

Des essais d'arc interne ont été effectués avec tous les mélanges, et aucun problème sérieux n'a été signalé. La conductivité thermique des mélanges est légèrement inférieure à celle du SF₆, ce qui peut nécessiter une modération de la déclassement ou des ajustements de conception pour la capacité de transport de courant. Les disjoncteurs de type live-tank au CO₂ ont déjà acquis de l'expérience sur le terrain, avec des déploiements débutant il y a plusieurs années, et des disjoncteurs remplis de CO₂ sont maintenant disponibles commercialement.

Des installations pilotes haute et moyenne tension utilisant des mélanges C₅-PFK fonctionnent avec succès en Suisse et en Allemagne depuis 2015. Des projets pilotes utilisant des mélanges CO₂/C₄-PFN sont planifiés ou en cours dans plusieurs pays européens, notamment un GIS intérieur de 145 kV en Suisse, un transformateur de courant extérieur de 245 kV en Allemagne, et des systèmes GIL extérieurs de 420 kV au Royaume-Uni et en Écosse.

5. Conclusions et perspectives
Les informations publiées sur les gaz alternatifs au SF₆ pour les applications de commutation ont été passées en revue. À ce stade, cette recherche est encore à ses débuts et bien moins extensive que le corpus de travaux de plusieurs décennies sur le SF₆. Les données des fabricants disponibles indiquent que de nouveaux gaz, tels que le C₅-PFK et le C₄-PFN, sont des options viables qui, lorsqu'ils sont mélangés avec du CO₂ en tant que gaz tampon, peuvent partiellement correspondre aux performances du SF₆, bien qu'ils ne puissent pas entièrement reproduire toutes les capacités du SF₆.

Les principales différences se situent dans les performances d'isolation et d'interruption, ainsi que dans le point d'ébullition, qui détermine la température minimale d'exploitation spécifiée du matériel de commutation. Une température minimale d'exploitation faible (par exemple, –50 °C) peut être atteinte avec du CO₂ pur. Cependant, le CO₂ semble généralement présenter des performances d'interruption inférieures, en particulier en termes de tenue de tension de récupération maximale et de capacité d'interruption, par rapport aux mélanges de gaz contenant du C₄-PFN ou du C₅-PFK.

Un avantage des mélanges CO₂/C₅-PFK par rapport aux mélanges CO₂/C₄-PFN est leur potentiel de réchauffement global négligeable (GWP) (~1 contre 427/600 pour le C₄-PFN). Inversement, les mélanges CO₂/C₄-PFN offrent une température minimale d'exploitation plus basse (environ –25 °C) par rapport aux mélanges CO₂/C₅-PFK (environ –5 °C).

6. Disjoncteur sous enveloppe morte à vide 40,5kV 72,5kV 145kV 170kV 245kV

Description :

Les disjoncteurs sous enveloppe morte à vide de 40,5kV, 72,5kV, 145kV, 170kV et 245kV sont des dispositifs de protection essentiels pour les systèmes électriques haute tension. Utilisant le vide comme milieu d'extinction d'arc et d'isolation, ils offrent des capacités exceptionnelles d'extinction d'arc, interrompant rapidement les courants de défaut et empêchant efficacement la réallumance de l'arc pour assurer un fonctionnement stable du système électrique. La conception sous enveloppe morte offre une empreinte compacte et une stabilité mécanique robuste, facilitant l'installation et la maintenance. Équipés de mécanismes d'entraînement à ressort hautement fiables, ces disjoncteurs ont une durée de vie mécanique supérieure à 10 000 opérations, fournissant des réponses rapides et précises. Avec une adaptabilité environnementale exceptionnelle, ils peuvent fonctionner de manière stable dans des conditions extérieures difficiles. Large ment utilisés dans les postes de transformation, les lignes de transport et d'autres scénarios, ils offrent un contrôle de commutation électrique efficace et sécurisé, ainsi qu'une protection fiable à divers niveaux de tension.

Présentation des principales fonctions :

• Extinction d'arc efficace : Utilise le vide pour une extinction rapide et fiable de l'arc, empêchant la réallumage.

• Large gamme de tensions : Disponible en versions 40,5 kV, 72,5 kV, 145 kV, 170 kV et 245 kV pour des applications polyvalentes sur le réseau.

• Conception robuste du réservoir mort : Structure compacte assurant la stabilité mécanique et simplifiant l'installation/la maintenance.

• Fonctionnement fiable : Mécanisme de fonctionnement à ressort avec plus de 10 000 cycles d'endurance mécanique.

• Scellement amélioré : Conception de bride à double joint offrant une protection étanche à l'eau et au gaz, idéale pour une utilisation en extérieur.