Conception de matériel fiable à 24 kV isolé par air et gaz

Actuellement, les réseaux de distribution moyenne tension en Chine fonctionnent principalement à 10kV. Avec le développement économique rapide, la charge électrique a augmenté, exposant de plus en plus les limites des méthodes d’alimentation existantes. En raison des avantages exceptionnels du matériel de haute tension de 24kV pour répondre aux demandes de capacité de charge plus élevées, il a gagné en popularité dans l'industrie. Suite à la "Notice sur la promotion du niveau de tension de 20kV" de la State Grid Corporation, le niveau de tension de 20kV a connu une adoption rapide.

En tant que produit clé pour ce niveau de tension, la structure et la conception d'isolation du matériel de haute tension de 24kV sont devenues des points focaux dans l'industrie. Selon la norme de l'industrie électrique "Exigences techniques communes pour les équipements de coupure et de commande de haute tension" (DL/T 593-2006), les exigences spécifiques d'isolation pour le matériel de coupure sont clairement définies. Les exigences d'isolation pour les produits de 24kV sont les suivantes :

Espacement minimum d'air (phase-à-phase, phase-à-terre) : 180mm ; Tension de tenue en courant alternatif (phase-à-phase, phase-à-terre) : 50/65 kV/min, (entre les joints d'isolement) : 64/79 kV/min ; Tension de tenue impulsionnelle de foudre (phase-à-phase, phase-à-terre) : 95/125 kV/min, (entre les joints d'isolement) : 115/145 kV/min.

Note : Les données à gauche de la barre oblique s'appliquent aux systèmes avec neutre solidement mis à la terre, tandis que les données à droite s'appliquent aux systèmes avec neutre mis à la terre par un bobinage d'extinction d'arc ou non mis à la terre.

Le matériel de haute tension de 24kV peut être classé par méthode d'isolation en matériel de coupure métallique isolé à l'air et unités principales en anneau isolées au SF6. Le matériel de coupure métallique isolé à l'air de 24kV, en particulier le type intermédiaire extractible (ci-après désigné comme le matériel de coupure intermédiaire de 24kV), est devenu un point de conception clé. Cet article discute de plusieurs recommandations concernant la structure et la conception d'isolation du matériel de coupure intermédiaire de 24kV et des unités principales en anneau isolées au SF6, offertes pour référence et commentaire.

1. Conception du matériel de coupure intermédiaire de 24kV

La technologie du matériel de coupure intermédiaire de 24kV provient principalement de trois sources : Premièrement, une mise à niveau du produit KYN28-12 de 12kV en remplaçant directement les composants liés à l'isolation. Deuxièmement, les produits intermédiaires étrangers entrant sur le marché national, tels que ceux d'ABB et Eaton Senyuan. Troisièmement, le matériel de coupure intermédiaire de 24kV développé indépendamment en Chine. La troisième catégorie, conçue spécifiquement pour les conditions techniques et les exigences actuelles en Chine, est la plus compétitive sur le marché. Par conséquent, lors de sa conception, la structure globale du produit et la conception d'isolation doivent être pleinement prises en compte, comme détaillé ci-dessous :

1.1 Structure de panneau de même hauteur et disposition en triangle des busbars

La plupart du matériel de coupure intermédiaire de 12kV utilise une structure plus haute à l'avant et plus basse à l'arrière, avec les trois busbars triphasés disposés en configuration triangulaire (delta), et le compartiment d'instruments comme une structure indépendante amovible. Si cette méthode est utilisée pour le matériel de coupure intermédiaire de 24kV, elle ne peut clairement pas satisfaire l'exigence d'espacement d'air minimum de 180mm. Par conséquent, le matériel de coupure intermédiaire de 24kV devrait adopter une conception de panneau de même hauteur, avec le compartiment d'instruments intégré au panneau principal.

La hauteur du panneau devrait être augmentée à 2400mm, fournissant plus d'espace pour les compartiments de busbar et de disjoncteur. Les embases de passage des busbars devraient être disposées en configuration triangulaire. Cette approche non seulement satisfait les exigences d'espacement d'air, mais aussi supprime efficacement et résiste aux forces électromagnétiques, améliore la dissipation de chaleur des busbars et renforce la fiabilité de l'isolation.

1.2 Conception rationnelle de la largeur du matériel de coupure

Du point de vue de la fiabilité de l'isolation, l'isolation à l'air est la méthode la plus fiable ; tant que l'écart d'isolation minimum est garanti, l'isolation peut être entièrement assurée. Envisageant une conception entièrement isolée à l'air, la largeur théorique d'un matériel de coupure de 24kV devrait être de 1020mm. Cependant, en production réelle, la plupart des fabricants choisissent une largeur de panneau de 1000mm, ce qui nécessite l'utilisation d'une isolation composite. Généralement, des gaines thermorétractables sont appliquées aux busbars, et des barrières isolantes en SMC (Sheet Molding Compound) sont installées entre les phases et entre la phase et la terre pour renforcer l'isolation.

1.3 Conception pour une distribution uniforme du champ électrique

Les tests prouvent que plus le niveau de tension est élevé, plus la force du champ électrique local est élevée lors des tests de tension de tenue en courant alternatif, parfois accompagnée de sons de décharge corona perceptibles. Selon les réglementations, tant qu'aucune décharge perturbante n'est observée, le test est considéré comme réussi. Cependant, une forte force de champ électrique local peut affecter la capacité du produit à résister aux surtensions pendant son fonctionnement normal.

Par conséquent, la conception du produit doit prioriser la réalisation d'une distribution de champ électrique aussi uniforme que possible, évitant la concentration locale du champ. D'après l'expérience pratique, façonner les conducteurs pour obtenir un champ uniforme est efficace. Pour les extrémités coupées des busbars, utiliser une fraise formée pour usiner les extrémités en coins arrondis. Pour les extrémités des busbars à l'intérieur de la boîte de contact, d'abord les former en forme semi-circulaire, puis les usiner en coins arrondis. Lorsque les conditions le permettent, installer un couvercle de blindage métallique à l'extérieur des contacts en forme de prunus du disjoncteur, ou incorporer un maillage de blindage métallique lors du moulage de la boîte de contact. Ces mesures peuvent uniformiser efficacement la distribution du champ électrique, supprimer les pics de champ et améliorer davantage les niveaux d'isolation.

1.4 Utilisation de matériaux isolants avec une longue distance de glissement

Les matériaux isolants tels que les embases de passage, les boîtes de contact et les supports isolants doivent avoir des protubérances agrandies et une distance de glissement suffisante pour satisfaire aux exigences d'isolation de 24kV. En particulier dans la conception des boîtes de contact, un maillage de blindage métallique doit être ajouté, et la cavité intérieure doit utiliser une structure en forme de langue pour éviter les problèmes inhérents aux structures en anneau, qui ne peuvent pas efficacement supprimer la condensation et l'accumulation de pollution pendant le fonctionnement.

2. Conception des unités principales en anneau isolées au SF6 de 24kV

Les unités principales en anneau isolées au SF6 de 24kV étrangères ont commencé tôt ; des entreprises comme Siemens et ABB les ont introduites dès le début des années 1980. Cela est dû au fait que de nombreux pays étrangers utilisent 24kV comme principale tension de distribution moyenne. Leurs produits sont technologiquement avancés, performants et très fiables. Les unités principales en anneau isolées au SF6 de 24kV nationales ne se sont développées que ces dernières années. Limitées par diverses conditions, les produits sont encore à l'étape de recherche, de développement et de tests.

En raison de l'avancement technologique des unités principales en anneau isolées au SF6 de 24kV, leur structure et leur conception d'isolation doivent s'inspirer de l'expérience étrangère mature. Voici quelques recommandations sur la structure et la conception d'isolation du produit :

2.1 Focus sur la rationalité structurale

Comme toutes les parties sous tension et les interrupteurs des unités principales en anneau isolées au SF6 de 24kV sont scellés dans un boîtier en acier inoxydable rempli de gaz SF6, ils sont compacts. Dans la conception structurelle, la force d'isolation et l'humidité du gaz isolant doivent être pleinement prises en compte pour concevoir rationnellement les dimensions du panneau. L'unité doit avoir une fonctionnalité complète, être facile à manipuler et avoir une structure simple.

2.2 Extensibilité des configurations

La conception de configuration doit avoir une extensibilité. Dans une certaine mesure, la qualité d'un produit et son potentiel d'adoption généralisée dépendent de sa flexibilité de configuration. Une conception standardisée et modulaire permet une expansion flexible à gauche et à droite.

2.3 Fiabilité de la conception d'isolation

Le risque principal pour les unités principales en anneau isolées au SF6 de 24kV est la dégradation de la performance d'isolation. Les facteurs causant la dégradation de l'isolation incluent : la fuite de gaz SF6 ; les matériaux d'isolation polymères ou de scellement ayant une certaine perméabilité à différents gaz (comme la vapeur d'eau), entraînant une condensation inacceptable sur les parois internes du conteneur ; le contrôle de la teneur en humidité du gaz SF6 ; et les fissures dans les composants isolants.

Pour prévenir la dégradation de l'isolation, des mesures correspondantes doivent être prises, telles que : fabriquer le conteneur de gaz en acier inoxydable par soudage complet, sans ouvertures scellées ; fabriquer les embases de connexion de câble en résine époxyde et les souder intégralement au conteneur ; améliorer l'étanchéité du conteneur de gaz pour minimiser la perméation de la vapeur d'eau ; mesurer régulièrement la teneur en humidité avec un testeur d'humidité SF6, placer une quantité appropriée de dessiccant dans l'enveloppe scellée, et cuire rigoureusement tous les composants selon la température et le temps spécifiés ; lors de l'évacuation et du chargement du matériel de coupure SF6, nettoyer les lignes de chargement avec du N2 ou du gaz SF6 de haute pureté ; et minimiser le stress mécanique interne dans les composants isolants pour prévenir le vieillissement et les fissures. Ces mesures amélioreront efficacement la fiabilité de l'isolation.

3. Conclusion

Bien que la structure et la conception d'isolation du matériel de haute tension de 24kV soient basées sur le matériel de 12kV, les exigences sont beaucoup plus élevées. De plus, en raison de l'insuffisance de l'expérience opérationnelle pratique, tous les facteurs influents doivent être pleinement pris en compte lors du processus de conception pour satisfaire aux normes de produit.