Mise à la terre du côté busbar pour les RMU écologiques 24kV : Pourquoi et comment

L'isolation solide combinée à l'isolation par air sec est une direction de développement pour les unités de jonction annulaire de 24 kV. En équilibrant les performances d'isolation et la compacité, l'utilisation d'une isolation auxiliaire solide permet de passer les tests d'isolation sans augmenter significativement les dimensions phase-à-phase ou phase-à-terre. L'encapsulation du pôle peut résoudre l'isolation de l'interrupteur à vide et de ses conducteurs connectés.

Pour le bus de sortie de 24 kV, en maintenant l'espacement des phases à 110 mm, la vulcanisation de la surface du bus peut réduire l'intensité du champ électrique et le coefficient d'hétérogénéité du champ électrique. Le tableau 4 calcule le champ électrique sous différents espacements de phase et épaisseurs d'isolation du bus. On peut voir qu'en augmentant légèrement l'espacement des phases à 130 mm et en appliquant un traitement de vulcanisation époxy de 5 mm au bus rond, l'intensité du champ électrique atteint 2298 kV/m, ce qui offre encore une certaine marge par rapport à l'intensité maximale du champ électrique de 3000 kV/m que l'air sec peut supporter.

Tableau 1 Conditions de champ électrique sous différents espacements de phase et épaisseurs d'isolation du bus

En raison de la faible résistance diélectrique de l'air sec, l'isolation solide ne peut pas résoudre le problème de tenue de tension à la coupure d'isolement. Un disjoncteur à double coupure utilise deux interstices gazeux en série pour diviser efficacement la tension. Des écrans de champ électrique et des anneaux de gradation sont conçus à des endroits où le champ électrique est concentré, tels que les contacts fixes de l'isolateur et du disjoncteur de terre, pour réduire l'intensité du champ électrique et minimiser efficacement la taille de l'interstice d'air. Comme le montre la figure 1, le mécanisme à double coupure atteint les états opérationnels—en service, isolé et mis à la terre—grâce à une rotation améliorée de l'arbre principal en nylon. L'anneau de gradation au contact fixe a un diamètre de 60 mm et est traité par vulcanisation époxy ; un écart de 100 mm peut supporter une tension d'impulsion de foudre de 150 kV.

D'autres solutions, telles qu'un agencement monophasique longitudinal utilisant des boîtiers en alliage de haute résistance pour chaque phase ou une augmentation modérée de la pression du gaz, peuvent également répondre aux exigences diélectriques de 24 kV. Cependant, les unités de jonction annulaire (RMUs) nécessitent un coût bas, et des coûts excessivement élevés ne sont pas acceptables pour les utilisateurs. Grâce à une conception optimisée et un élargissement modéré du boîtier RMU, il est possible de réaliser des RMUs à isolation gazeuse écologiques de 24 kV à faible coût et compacts.

Agencement du Disjoncteur de Terre dans les RMUs à Gaz Écologiques

Il existe deux méthodes dans les RMUs pour assurer la mise à la terre de la circuit principal :

• Disjoncteur de terre côté ligne sortante (disjoncteur de terre inférieur)

• Disjoncteur de terre côté barre (disjoncteur de terre supérieur)

Le disjoncteur de terre côté barre peut être choisi comme étant de classe E0, ce qui nécessite une coordination avec l'interrupteur principal lors de son fonctionnement. Selon le Schéma de Conception Standardisé pour les Unités de Jonction Annulaire de 12 kV (Boîtes) publié par State Grid en 2022, concernant les interrupteurs à trois positions, le schéma spécifie que les interrupteurs à trois positions devraient adopter un agencement côté barre et les redéfinissent comme "disjoncteurs de terre combinés fonctionnels côté barre."

Les règlements de sécurité électrique stipulent qu'aucun disjoncteur ou fusible ne doit être connecté entre les câbles de terre, les disjoncteurs de terre et l'équipement en maintenance. Si, en raison des contraintes d'équipement, un disjoncteur existe entre le disjoncteur de terre et l'équipement en maintenance, des mesures doivent être prises pour s'assurer que le disjoncteur ne puisse pas s'ouvrir après que le disjoncteur de terre et le disjoncteur aient été fermés.

Par conséquent, le disjoncteur de terre côté ligne est situé en aval du disjoncteur. Il se connecte directement au câble sortant mis à la terre, satisfaisant ainsi l'exigence qu'il n'y ait aucun disjoncteur ou fusible entre le point de mise à la terre, le disjoncteur de terre et l'équipement en maintenance. En revanche, le disjoncteur de terre côté barre est situé en amont du disjoncteur. Il y a un disjoncteur à vide entre le disjoncteur de terre et le câble sortant mis à la terre—il ne se connecte pas directement. Puisqu'un disjoncteur se trouve entre le disjoncteur de terre et l'équipement en maintenance, des mesures doivent être mises en œuvre pour empêcher le disjoncteur de s'ouvrir une fois que le disjoncteur de terre et le disjoncteur sont fermés. Par exemple, le circuit de déclenchement du disjoncteur peut être déconnecté via une plaque de liaison, ou des moyens mécaniques peuvent être utilisés pour empêcher un déclenchement accidentel, évitant ainsi une déconnexion involontaire du chemin de mise à la terre.

Le Schéma de Conception Standardisé de State Grid spécifie également des exigences de verrouillage pour le disjoncteur de terre combiné fonctionnel côté barre. Lorsque le disjoncteur de terre combiné fonctionnel côté barre utilise la fermeture du disjoncteur pour réaliser la mise à la terre du côté du câble, il doit inclure des verrouillages mécaniques et électriques pour empêcher l'ouverture manuelle ou électrique du disjoncteur.

State Grid adopte l'interrupteur de coupure/terre à trois positions côté barre principalement en considérant la capacité de fermeture en court-circuit. Dans les RMUs à isolation SF6, le disjoncteur de terre bénéficie de la résistance diélectrique du SF6, qui est environ trois fois celle de l'air, et de sa capacité d'extinction d'arc, qui est environ 100 fois supérieure à celle de l'air en raison d'un refroidissement de l'arc supérieur. Ainsi, la capacité de fermeture du disjoncteur de terre est assurée de manière fiable.

En revanche, les gaz écologiques manquent de capacité d'extinction d'arc et ont des performances d'isolation plus faibles. Par conséquent, une très grande vitesse de fermeture est requise. Cependant, les mécanismes de fonctionnement des RMUs ont une énergie limitée et ne peuvent pas fournir une force suffisante pour une fermeture à haute vitesse. L'utilisation d'un disjoncteur de terre côté ligne nécessiterait une augmentation de la vitesse de fermeture et une amélioration de la résistance à l'arc et de l'analyse électrodynamique des contacts, potentiellement conduisant à des forces de fonctionnement plus importantes et des coûts plus élevés. Le disjoncteur de terre côté barre, en résolvant le problème de verrouillage du disjoncteur, peut toujours assurer une mise à la terre fiable tout en offrant une capacité de fermeture plus forte.

Grâce à l'analyse technique et produit du SF6 par rapport aux gaz écologiques, on peut constater que les RMUs à isolation gazeuse écologique de 12 kV peuvent répondre aux exigences d'isolation et de chauffage avec seulement une légère augmentation de la taille, indiquant des solutions techniques matures.

Cependant, il existe peu de produits à isolation gazeuse écologique de 24 kV. La clé du défi réside dans la classification de tension plus élevée, ce qui entraîne une augmentation significative des dimensions. Une taille excessive et un prix élevé limiteront le développement des RMUs à isolation gazeuse écologique de 24 kV. Une approche équilibrée prenant en compte le type de gaz isolant, la pression de remplissage, le volume de l'enveloppe et le coût de l'isolation auxiliaire est nécessaire pour concevoir des RMUs à faible coût et compacts. Seulement alors, une véritable substitution du SF6 pourra être réalisée—permettant non seulement la domination du marché intérieur mais aussi l'exportation mondiale, promouvant l'équipement électrique à faible carbone et écologique de la Chine dans le monde entier.