Analyse de la sûreté et de la fiabilité des équipements de moyenne tension
En tant que professionnel travaillant dans les opérations de systèmes électriques, je reconnais que le matériel de distribution à moyenne tension (MT) joue un rôle crucial dans la distribution, la mesure et la protection de l'énergie. Assurer sa sécurité et sa fiabilité opérationnelles est essentiel—toute défaillance peut perturber gravement l'ensemble du système électrique. Pour améliorer la fiabilité, nous devons privilégier les optimisations au niveau de la conception, permettant ainsi au matériel de distribution MT de remplir ses fonctions et de préserver la stabilité du réseau.
1. Définition du matériel de distribution à moyenne tension
Dans ma pratique, le matériel de distribution MT fait référence aux ensembles de distribution métalliques tels que définis dans la norme GB 3906—2020 Ensembles de distribution et de commande à courant alternatif pour des tensions assignées comprises entre 3,6 kV et 40,5 kV: équipements entièrement enclos par des carrosseries métalliques, à l'exception des conducteurs d'entrée et de sortie.
Dans les systèmes électriques, le matériel de distribution MT remplit des fonctions clés : commutation, mesure, distribution de puissance et protection, tout au long des étapes de production, de transport et de distribution. Lors de l'exploitation, j'ajuste sa configuration en fonction des besoins du réseau—en connectant ou en déconnectant des équipements ou des alimentations pour maintenir la stabilité. En cas de défauts sur les dispositifs ou les lignes du réseau, j'utilise le matériel de distribution MT pour isoler rapidement la section défectueuse, garantissant ainsi une alimentation continue des zones non affectées.
2. Importance de la fiabilité du matériel de distribution à moyenne tension
Le matériel de distribution MT est largement utilisé dans les systèmes électriques. Avec l'expansion et la complexité croissante du réseau électrique en Chine, les réseaux supportent des charges plus lourdes pour répondre aux besoins sociaux. D'après mon expérience, il ne faut assurer la fiabilité du matériel de distribution MT que pour qu'il puisse gérer efficacement la distribution, la mesure et la protection de l'énergie, contribuant ainsi à la stabilité globale du réseau.
Tout incident de sécurité ou toute panne du matériel de distribution MT peut déstabiliser le système de distribution, compromettant l'alimentation en électricité. Dans les cas graves, cela peut entraîner des pannes généralisées, provoquant des pertes économiques significatives pour la production sociale. C'est pourquoi j'insiste sur la nécessité de renforcer la fiabilité du matériel de distribution MT par des mesures multifacettes, assurant une fonctionnalité stable et un soutien au réseau.
3. Stratégies pour améliorer la fiabilité du matériel de distribution à moyenne tension
3.1 Conception rationnelle de la structure de l'enveloppe
Une conception scientifique de l'enveloppe est fondamentale pour assurer la fiabilité du matériel de distribution MT, ce que je privilégie dans ma pratique d'ingénierie. Par exemple:
Ces optimisations de conception sont conformes aux meilleures pratiques de l'industrie, assurant que le matériel de distribution MT répond aux exigences de sécurité et de performance dans les opérations réelles.
3.2 Conception rationnelle de la structure d'isolation
Pour améliorer la sécurité et la fiabilité du matériel de distribution à moyenne-basse tension, il est essentiel de renforcer la conception de l'isolation. Dans la conception pratique, outre le respect des exigences d'isolation, il convient également de prendre en compte des facteurs tels que le coût de conception et la protection de l'environnement.
3.2.1 Choix rationnel des gaz isolants
Dans le matériel de distribution à moyenne tension, le gaz SF₆ a été le principal milieu isolant. Cependant, il est non seulement toxique, mais a également un potentiel de réchauffement global (PRG) extrêmement élevé. Bien que le CO₂ soit un gaz à effet de serre avec un PRG élevé, le gaz SF₆ a un PRG 23 900 fois supérieur à celui du CO₂, soulignant son impact significatif sur l'environnement naturel. Pour le matériel de distribution à moyenne-basse tension dont les performances d'interruption ne sont pas critiques, nous pouvons, en termes de conception, tenter de remplacer le gaz SF₆ par du N₂ ou de l'air sec. Comparé au gaz SF₆, la performance d'isolation du N₂ et de l'air sec peut atteindre 30% de celle du gaz SF₆. Les comparaisons de performance entre le N₂, l'air sec et le gaz SF₆ sont présentées dans le Tableau 1.
Comme indiqué dans le Tableau 1, le N₂ et l'air sec ne sont pas des gaz à effet de serre, n'ayant aucune menace sur l'environnement écologique. Ils ont également des points d'ébullition bas, éliminant les inquiétudes concernant la liquéfaction lors de l'utilisation normale, même dans les régions extrêmement froides. Il est noté que le N₂, en tant que composant principal de l'air, présente des propriétés chimiques stables. Cependant, une concentration excessive de N₂ peut causer une asphyxie due à la privation d'oxygène. Lors de la conception avec le N₂ comme gaz isolant, des dispositifs de ventilation et de protection doivent être configurés. En revanche, l'utilisation de l'air sec comme gaz isolant évite ces problèmes. À travers une comparaison globale, l'air sec peut être adopté pour remplacer le SF₆ comme gaz isolant dans la conception d'isolation du matériel de distribution.
Lors de l'utilisation de l'air sec comme gaz isolant, la conception de l'écart minimum d'air doit être prise en compte. Selon les normes pertinentes, pour une tension nominale de 12 kV, l'écart minimum entre les phases et entre la phase et la terre doit être de 125 mm. Si le test de condensation est réussi, l'écart minimum peut être légèrement inférieur à 125 mm. L'utilisation de l'air sec comme gaz isolant permet une réduction appropriée de l'écart minimum.
3.2.2 Amélioration de la tension de claquage dans les espaces gazeux
Au cours du processus de conception, pour assurer la sécurité et la fiabilité du matériel de distribution à moyenne-basse tension, la tension de claquage dans les espaces gazeux doit également être améliorée, selon les méthodes suivantes:
Amélioration de la distribution du champ électrique dans le matériel de distribution à moyenne-basse tension. Cela peut être réalisé en optimisant la forme des électrodes en fonction des conditions réelles ou en utilisant pleinement les charges spatiales pour améliorer l'uniformité du champ électrique. Si l'uniformité du champ électrique est extrêmement mauvaise, l'ajout de barrières est également une option.
Suppression du processus d'ionisation de l'air sec. L'application d'une haute pression dans le matériel de distribution à moyenne tension peut affaiblir le processus d'ionisation de l'air sec. Alternativement, l'utilisation d'un vide élevé dans le matériel de distribution à moyenne tension peut avoir le même effet.
Lors de l'utilisation d'une haute pression ou d'un vide élevé, la résistance du réservoir de gaz est requise pour être extrêmement élevée, et des problèmes de fuite sont susceptibles de se produire dans les applications pratiques, entraînant des conséquences graves. Par conséquent, dans la conception réelle, l'amélioration de la forme des électrodes et l'ajout de barrières dans les champs électriques extrêmement inhomogènes sont des méthodes plus réalisables pour augmenter la tension de claquage dans les espaces gazeux.
3.3 Choix rationnel des composants
Les composants clés du matériel de distribution à moyenne tension, y compris les disjoncteurs à vide, les interrupteurs à vide et les contacts, affectent directement la sécurité et la fiabilité opérationnelles de l'équipement, nécessitant un contrôle qualité strict.
Prenons l'exemple du matériel de distribution ABB. Ses interrupteurs à vide subissent des inspections rigoureuses avant l'expédition: des tests de haute tension automatiques vérifient la force d'isolation, tandis que des dispositifs de magnétron spiral mesurent la pression interne dans une chambre remplie de gaz inerte. Après une période d'isolement spécifiée, un deuxième test de pression est effectué, et les résultats sont comparés pour s'assurer que la performance d'étanchéité répond aux normes.
Dans la fabrication, les interrupteurs à vide ABB nécessitent un contrôle strict de l'environnement et des processus. Produits dans l'usine allemande de CalorEmag, ils sont assemblés de manière professionnelle par des entreprises de matériel de distribution à moyenne tension régionales avant d'être fournis de manière centralisée. Des alliages haute performance comme le Cu-Cr et le W-C-Ag sont prioritaires pour les matériaux des composants afin d'assurer la durabilité.L'assemblage se fait dans des salles blanches dédiées en utilisant un processus de "scellement et évacuation en une seule fois": sous une température de 800°C, un vide élevé est d'abord atteint, suivi d'un soudage et d'un scellement simultanés pour garantir la fiabilité du processus.
L'évolution de la R&D des interrupteurs à vide reflète une optimisation continue des performances: les premiers assemblages exposés à l'air dépendaient uniquement de partitions isolantes pour l'isolation. Les améliorations ultérieures comprenaient des manchons isolants sur les interrupteurs et les contacts pour équilibrer les champs électriques, suivis d'un coulage intégral pour les interrupteurs et les contacts pour améliorer l'isolation phase-à-phase et la résistance aux impacts, tout en adoptant des matériaux écologiques pour intégrer les performances avec des considérations environnementales.
3.4 Planification rationnelle des tests de validation de conception
Après la conception du matériel de distribution à moyenne tension, la validation expérimentale devient une phase critique. La validation réelle doit strictement se conformer aux normes pertinentes, telles que la GB 3906—2020 Ensembles de distribution et de commande à courant alternatif pour des tensions assignées comprises entre 3,6 kV et 40,5 kV, la GB/T 11022—2020 Exigences techniques communes pour les normes de haute tension des ensembles de distribution et de commande à courant alternatif, et la GB/T 1984—2014 Disjoncteurs à courant alternatif de haute tension.
Points clés pour les essais de type
Une vérification complète des performances doit être effectuée pour les composants électriques et les éléments auxiliaires du matériel de distribution à moyenne tension pour s'assurer que les paramètres techniques répondent aux exigences. Lorsque les processus de conception ou les conditions de production changent, des essais de type doivent être refaits pour garantir la sécurité et la fiabilité de l'équipement. Pour l'équipement produit normalement, un test de montée en température est généralement requis tous les 8 ans; des essais de fonctionnement mécanique sont effectués pour inspecter les performances opérationnelles; en outre, des vérifications de sécurité telles que les essais de courant de tenue à court terme et de courant de crête de tenue sont également nécessaires.
Prenons l'exemple du matériel de distribution à moyenne tension ABB, qui a passé des validations expérimentales dans plusieurs pays selon les normes les plus strictes à ce jour, démontrant une sécurité et une fiabilité exceptionnelles. Prenons l'exemple du test d'arc interne, qui vérifie:
4 Conclusion
En tant que composant central du système électrique, la fiabilité opérationnelle du matériel de distribution à moyenne tension affecte directement la sécurité du réseau. Il est donc essentiel de renforcer la conception de sécurité et de fiabilité de l'équipement, d'optimiser strictement les paramètres techniques conformément aux normes, et de construire une solide défense de sécurité par le biais de tests de validation systématiques, assurant que le matériel de distribution à moyenne tension exécute de manière stable les fonctions de distribution, de protection et de contrôle dans le système électrique.
