La situation actuelle et la tendance de développement des disjoncteurs haute tension au SF6

Les disjoncteurs haute tension, également appelés interrupteurs haute tension, possèdent des capacités suffisantes d'interruption et d'extinction d'arc. Ils peuvent non seulement couper et fermer le courant à vide et le courant de charge des circuits haute tension, mais aussi, en cas de panne dans le système, coopérer avec les dispositifs de protection et les dispositifs automatiques pour couper rapidement le courant de défaut, réduisant ainsi la portée de la coupure de courant et empêchant l'extension de l'accident. Cela est d'une grande importance pour assurer le fonctionnement sûr du système électrique.

Les disjoncteurs haute tension ont évolué à travers les disjoncteurs à huile, les disjoncteurs à air comprimé, les disjoncteurs à vide et les disjoncteurs SF₆. Parmi eux, les deux premiers types ont été progressivement abandonnés, et les disjoncteurs SF₆ sont plus couramment utilisés que les deux derniers. Les disjoncteurs SF₆ ont été largement adoptés au début des années 1970. Ils utilisent l'hexafluorure de soufre comme milieu d'extinction d'arc. Ce type de disjoncteur a une grande capacité d'interruption. Dans des conditions d'interruption libre, sa capacité d'interruption est environ 10 fois supérieure à celle des autres disjoncteurs. Il joue un rôle crucial dans le fonctionnement stable et sûr du système électrique et est également d'une grande importance en termes de bénéfices économiques et sociaux.

1. Performance des disjoncteurs SF₆

Les disjoncteurs SF₆ sont des équipements de commutation sans huile qui utilisent le gaz SF₆ comme milieu d'isolation et d'extinction d'arc. Leurs performances d'isolation et d'extinction d'arc sont significativement supérieures à celles des disjoncteurs à huile. Les disjoncteurs à hexafluorure de soufre présentent les caractéristiques suivantes :

• Capacité d'extinction d'arc forte, résistance diélectrique élevée et valeur de tension de tenue élevée du point de rupture unitaire. Ainsi, pour le même niveau de tension nominale, le nombre de points de rupture en série requis est réduit, améliorant les performances économiques du produit.

• Longue durée de vie électrique. Il peut interrompre en continu à pleine capacité de 50kA pendant 19 fois, et le courant d'interruption cumulé peut atteindre 4200kA. Le cycle de maintenance est long, et il est adapté aux opérations fréquentes.

• Bonne performance d'interruption. En raison de l'électronégativité du gaz SF₆, il a une forte capacité d'adsorption des électrons libres. L'arc formé dans le SF₆ favorise la formation de la "structure de colonne d'arc" (cœur d'arc et enveloppe d'arc). La diffusion du plasma ionisé est limitée, permettant une recombinaison efficace des ions. Le courant d'interruption est élevé, atteignant 80-100kA, voire 200kA. Le temps d'extinction de l'arc est court, généralement 5-15ms. De plus, la performance d'interruption pour l'interruption en phase inverse, les pannes proches, les lignes longues à vide et les conditions de charge nulle des transformateurs est également bonne.

• Haute performance d'isolation. La résistance diélectrique du SF₆ est d'environ 5 à 10 fois celle de l'air.

• Le gaz SF₆ est incolore, inodore, non toxique, non inflammable et très stable, ne réagissant pas facilement avec d'autres substances. De plus, lorsque le disjoncteur est ouvert, l'augmentation de pression due au chauffage de l'arc est extrêmement faible, assurant un fonctionnement fiable et prévenant les accidents d'explosion.

2. Développement des disjoncteurs haute tension SF₆
2.1 Disjoncteurs SF₆ à double pression

Deux systèmes de gaz SF₆ (système à haute pression et système à basse pression) sont installés à l'intérieur du disjoncteur. Seulement pendant le processus d'ouverture, la chambre à haute pression s'écoule vers la chambre à basse pression par le contrôle de la vanne de soufflage pour former un flux de gaz à haute pression. Après l'interruption, la vanne de soufflage est fermée. Le principe de la chambre d'extinction d'arc est qu'un compresseur de gaz et des tuyaux sont connectés entre la chambre à haute pression et la chambre à basse pression. Lorsque la pression du gaz dans la chambre à haute pression diminue ou que la pression du gaz dans la chambre à basse pression augmente jusqu'à une certaine limite, le compresseur de gaz démarre pour pomper le gaz SF₆ de la chambre à basse pression vers la chambre à haute pression, formant un système de gaz automatique en boucle fermée.

2.2 Disjoncteurs SF₆ à simple pression

La structure à simple pression est simple et peut s'adapter à une large gamme de températures ambiantes. Le type de compression de gaz a également connu un processus de développement : en termes de soufflage d'arc, le premier type à simple pression a une structure de soufflage unique, avec un courant d'interruption faible (généralement 31,5kA) et une tension de point de rupture basse (généralement 170kV). Le deuxième type à simple pression a une structure de double soufflage, avec le courant d'interruption augmenté à (40-50kA), et la tension de point de rupture reste basse. Généralement, les produits 252kV ont deux points de rupture. Le troisième type à simple pression a une structure de double soufflage complétée par un effet de dilatation thermique (extinction d'arc hybride). Le courant d'interruption est élevé, augmenté à 63kA, et la tension de point de rupture est élevée. Un seul point de rupture peut atteindre 252kV, 363kV, 420kV, et même 550kV.

Le développement du type à simple pression, du point de vue de la chambre d'extinction d'arc, a adopté un piston de compression de gaz plus petit. Les avantages apportés par la réduction du piston dans la chambre d'extinction d'arc sont les suivants :

• La masse de l'ensemble du système de mouvement pendant le processus d'interruption du produit est réduite.

• La puissance de fonctionnement du produit est réduite.

• L'amortissement du produit devient plus facile, et la durée de vie mécanique est longue.

2.3 Disjoncteurs SF₆ à auto-énergie

Les disjoncteurs SF₆ à auto-énergie ont deux principes d'extinction d'arc : le principe de dilatation thermique et le principe de rotation d'arc. Actuellement, la grande majorité des disjoncteurs à auto-énergie utilisent le principe de dilatation thermique. Le principe de l'auto-énergie est d'utiliser l'énergie de l'arc pour chauffer le gaz SF₆ dans la chambre de dilatation, créer une pression, former un flux de gaz et éteindre l'arc. Cependant, lors de l'interruption de petits courants, en raison de l'énergie d'arc faible, un petit piston est nécessaire pour compresser le gaz et former un soufflage auxiliaire. En raison de la réduction significative de la puissance de fonctionnement, un mécanisme de fonctionnement à ressort à structure simple peut être utilisé. Le type de dilatation thermique a maintenant évolué vers la deuxième génération. Les produits de première génération atteignent l'effet de réduction de la puissance de fonctionnement en réduisant l'énergie de compression de gaz requise pour l'extinction d'arc. Le diamètre du piston de compression de gaz est conçu selon l'interruption de 30% du courant de défaut maximal, et la masse en mouvement est également petite, ce qui réduit la puissance de fonctionnement. Les produits de deuxième génération améliorent davantage l'effet de dilatation thermique et les performances d'interruption, non seulement améliorant l'interruption du courant capacitif, mais aussi réduisant davantage la puissance de fonctionnement.

2.4 Disjoncteurs SF₆ intelligents

Une autre caractéristique des disjoncteurs haute tension modernes est leur intelligence, passant de systèmes électromécaniques traditionnels à des systèmes intelligents modernes centrés sur l'informatique. Actuellement, les contenus de détection en ligne des disjoncteurs haute tension sont les suivants :

• Gaz SF₆;

• Système de mécanisme de fonctionnement;

• Déclenchement;

• Circuits de commande et auxiliaires;

• Chaîne de transmission de puissance.

Grâce à ces détections, plus de 90% des pannes peuvent être détectées. La détection en ligne peut changer la maintenance régulière des disjoncteurs en maintenance conditionnelle en temps réel.

3. Disjoncteurs SF₆ de type poteau en porcelaine et de type cuve et leurs applications

La Chine a appliqué pour la première fois les disjoncteurs SF₆ en 1970, lorsque l'Administration Électrique du Nord-Est a importé trois disjoncteurs SF₆ de type poteau en porcelaine H-912 220KV à double pression produits par Siemens de l'étranger et les a installés dans la sous-station primaire de HuShitai à Shenyang. Ils fonctionnent toujours bien aujourd'hui.

Les disjoncteurs haute tension à hexafluorure de soufre sont divisés en type poteau en porcelaine et type cuve selon leur structure. En comparant les deux, ils ont chacun leurs propres caractéristiques :

• Les disjoncteurs SF₆ de type poteau en porcelaine et de type cuve peuvent tous deux répondre aux exigences de haute tension et de grande capacité. La chambre d'extinction d'arc du type poteau en porcelaine est installée sur le support isolant. En reliant les chambres d'extinction d'arc en série et en les installant sur le support isolant à une hauteur appropriée, on peut obtenir n'importe quelle valeur de tension nominale. Le support isolant est généralement un poteau en porcelaine, et des supports composites organiques sont également apparus. La chambre d'extinction d'arc du type cuve est installée dans une cuve métallique connectée au potentiel de terre. Sous haute tension, plusieurs chambres d'extinction d'arc doivent être reliées en série et installées dans la même cuve pour chaque phase.

• Installation des transformateurs de courant. En termes d'installation des transformateurs de courant, les disjoncteurs de type poteau en porcelaine sont désavantagés. Parce que la chambre d'extinction d'arc du type poteau en porcelaine est installée à l'intérieur de l'isolateur et sur le sommet du support isolant, le transformateur de courant doit être installé séparément sur son propre support isolant. Cependant, le transformateur de courant de type bouchon peut être installé sur le bouchon du disjoncteur de type cuve. Dans certains scénarios d'application, le disjoncteur n'a pas besoin d'être équipé d'un transformateur de courant, en particulier lorsqu'il est utilisé comme interrupteur pour les bancs de condensateurs et les réactances shunt. Ici, le prix du type poteau en porcelaine n'est que 60% de celui du disjoncteur de type cuve, et grâce à l'utilisation de plusieurs points de rupture, il peut mieux résister aux remises en tension.

• Capacité de tenue de tension externe. Du point de vue de la tenue de tension externe, les multiples chambres d'extinction d'arc en série du disjoncteur de type poteau en porcelaine peuvent répondre à n'importe quelle valeur de tension nominale, mais sa capacité d'isolation externe est limitée par la longueur de la chambre d'extinction d'arc elle-même. Pour le disjoncteur de type cuve, tant que la capacité de tenue nécessaire pour réduire le nombre de points de rupture peut être développée, un bouchon isolant peut être fabriqué. Ainsi, le disjoncteur de type cuve peut atteindre un point de rupture unique de 550kV/63kA et un double point de rupture de 1100kV/50kA.

• Consommation de gaz SF₆. En termes de consommation de gaz SP6, le type poteau en porcelaine est supérieur au type cuve. La consommation de gaz du disjoncteur de type cuve est beaucoup plus élevée que celle du type poteau en porcelaine.

• Adaptabilité environnementale. Du point de vue de l'adaptabilité environnementale, le grand volume du disjoncteur de type cuve montre ses avantages. Un chauffage peut être installé dans le disjoncteur de type cuve, tandis qu'il ne peut pas être installé dans le type poteau en porcelaine.

• Résistance sismique. Du point de vue de la résistance sismique, le disjoncteur de type cuve est nettement meilleur que le type poteau en porcelaine. Parce que le disjoncteur de type poteau en porcelaine a un centre de gravité élevé, sa résistance sismique est faible.

• Comparaison des prix. En termes de prix, pour la même capacité, le disjoncteur de type poteau en porcelaine est meilleur que le type cuve. Généralement, le prix du disjoncteur de type cuve est d'environ 20% plus élevé que celui du disjoncteur de type poteau en porcelaine avec un transformateur de courant externe (tel qu'un transformateur SF₆).

4. Points à noter lors de l'exploitation et de la maintenance des disjoncteurs SF₆

Afin de contrôler strictement les fuites de gaz et d'empêcher l'humidité et l'humidification d'envahir la boîte, les exigences de technologie de traitement et de matériaux sont beaucoup plus élevées que celles des appareils électriques haute tension généraux. En outre, un système de gaz SF₆ spécial est nécessaire, y compris une valve avec une bonne étanchéité, des équipements de détection de fuite, un dispositif de récupération de gaz et un moniteur de pression. De plus, en raison de la grande consommation de métal, la complexité de fabrication est accrue.

Le gaz SF₆ pur est incolore, inodore, non toxique et non inflammable. Cependant, lors de la synthèse de l'hexafluorure de soufre, des composés de soufre à faible teneur en fluor sont également produits, qui sont toxiques. Dans le disjoncteur, le gaz sera décomposé sous l'effet de la haute température de l'arc par dissociation et ionisation, produisant des gaz hautement toxiques. Par conséquent, un adsorbeur est installé dans le disjoncteur, et de l'aluminium activé est placé à l'intérieur pour absorber ces gaz toxiques.

Même ainsi, une attention particulière doit être portée à la prévention de l'intoxication lors de la maintenance. Par conséquent, le gaz doit être évacué et déchargé proprement avant le travail. Si une odeur désagréable est encore perçue, un masque à gaz et des gants en caoutchouc doivent être portés. De plus, les produits de décomposition de l'arc contiennent également certains fluorures métalliques, qui sont dispersés dans le disjoncteur sous forme de poudre. Bien que ces poudres ne soient pas des substances hautement toxiques, des précautions doivent encore être prises pour éviter de les inhaler lors du nettoyage.

5. Conclusion

Avec l'augmentation continue de la tension du système électrique, que ce soit le type poteau en porcelaine ou le type cuve des disjoncteurs SF₆, ils évoluent constamment avec le progrès technologique. En particulier, ces dernières années, le principe d'extinction d'arc à auto-énergie a été développé et appliqué, c'est-à-dire que la haute pression est utilisée pour former un souffle de gaz pour éteindre l'arc. Le nombre de points de rupture est réduit, et la consommation de matériaux est diminuée.

En raison de son prix relativement élevé et des exigences élevées pour l'application, la gestion et l'exploitation du gaz SF₆, il n'est pas largement appliqué en moyenne tension (35kV, 10kV). En général, les disjoncteurs haute tension SF₆ ont un vaste avenir d'application, et la recherche, le développement et la mise à niveau technologique des produits apporteront des bénéfices économiques et sociaux significatifs.