SF₆ vs RMU à isolation solide : lequel est meilleur pour votre système de distribution d'énergie ?
1 Alimentation en réseau en anneau et armoires de réseau en anneau
Avec l'avancement de l'urbanisation, la demande de fiabilité accrue dans la distribution d'électricité ne cesse de croître, et un nombre croissant d'utilisateurs nécessitent deux sources d'alimentation ou plus. La méthode traditionnelle d'« alimentation radiale » est confrontée à des défis tels que les difficultés d'installation des câbles, la détection compliquée des pannes et l'inflexibilité des mises à niveau et extensions du réseau. En revanche, l'« alimentation en réseau en anneau » permet de fournir des charges critiques avec des sources d'alimentation doubles ou multiples, simplifie les lignes de distribution, facilite la pose des câbles, réduit le nombre de postes de sectionnement, diminue les taux de défaillance et facilite la localisation des pannes.
1.1 Alimentation en réseau en anneau
L'alimentation en réseau en anneau fait référence à une configuration où deux lignes sortantes ou plus provenant de différentes sous-stations ou de différents barres de la même sous-station sont interconnectées pour former une boucle fermée pour la distribution d'électricité. Son principal avantage est que chaque branche de distribution peut recevoir de l'électricité de n'importe quel côté de l'anneau. Si un côté tombe en panne, l'électricité peut toujours être fournie par l'autre côté. Bien qu'elle fonctionne en mode de boucle unique, chaque branche atteint effectivement un niveau de fiabilité équivalent à celui d'une source d'alimentation double, augmentant ainsi considérablement la fiabilité du système. En Chine, les systèmes urbains d'alimentation en réseau en anneau suivent le « critère de sécurité N-1 », ce qui signifie que si l'un des N charges tombe en panne, les N-1 charges restantes peuvent encore être alimentées en toute sécurité, sans interruption ni délestage.
1.2 Configurations de connexion en réseau en anneau
(1) Connexion en anneau de base : Une seule source d'alimentation avec les câbles formant un anneau, assurant l'alimentation continue des autres charges si une section de câble tombe en panne (voir Fig. 1).
(2) Connexion en anneau à partir de barres différentes : Deux sources d'alimentation, généralement opérées en mode boucle ouverte, offrant une haute fiabilité et une flexibilité d'exploitation (voir Fig. 2).
(3) Configuration en anneau simple : Les sources d'alimentation proviennent de différentes sous-stations ou barres ; la maintenance sur n'importe quelle section de câble n'interrompt pas l'alimentation de n'importe quelle charge (voir Fig. 3).
(4) Configuration en double anneau : Chaque charge est alimentée par deux réseaux en anneau indépendants, offrant une fiabilité extrêmement élevée (voir Fig. 4).
(5) Connexion double "T" à double alimentation : Deux lignes de câble connectées à différentes sections de barres, permettant à chaque charge de recevoir de l'électricité des deux lignes. Cette configuration assure une alimentation presque continue pour les utilisateurs à double source et est particulièrement adaptée aux applications critiques (voir Fig. 5).
1.3 Armoires de réseau en anneau et leurs caractéristiques
Une armoire de réseau en anneau (ARNA) est un appareil de coupure utilisé dans les systèmes d'alimentation en réseau en anneau, intégrant généralement des interrupteurs de charge, des disjoncteurs, des combinaisons d'interrupteurs-fusibles, des couplages de barres, des dispositifs de mesure, des transformateurs de tension ou toute combinaison de ceux-ci. Les ARNA sont compactes, économisent de l'espace, sont rentables, faciles à installer et rapides à mettre en service, répondant à la demande de « miniaturisation des équipements ». Elles sont largement utilisées dans les communautés résidentielles, les bâtiments publics, les sous-stations d'entreprises de taille moyenne, les postes de sectionnement secondaires, les sous-stations en caisson et les boîtes de distribution de câbles.
1.4 Types d'armoires de réseau en anneau
ARNA à isolation à air : Utilise l'air comme milieu d'isolation ; ces unités sont de grande taille, nécessitent plus d'espace et sont sensibles aux conditions environnementales.
ARNA SF₆ : Utilisent le gaz hexafluorure de soufre (SF₆) comme milieu d'isolation et d'extinction d'arc. L'interrupteur principal est scellé dans un boîtier métallique rempli de SF₆, tandis que le mécanisme de commande est situé à l'extérieur. Le design scellé minimise l'impact environnemental et permet une empreinte significativement plus petite par rapport aux unités à isolation à air. Les ARNA SF₆ sont actuellement les plus largement utilisées.
ARNA à isolation solide : Emploient des matériaux d'isolation solide (par exemple, résine époxy) pour encapsuler et couler les interrupteurs et toutes les parties vivantes. Ce design réduit les distances d'isolation phase-phase et phase-terre, résultant en des dimensions compactes comparables aux ARNA SF₆. De plus, elles éliminent les émissions de SF₆ et peuvent atteindre une exploitation sans entretien.
2 Limites des armoires de réseau en anneau SF₆
Le SF₆ est un contributeur majeur à l'effet de serre. Malgré ses excellentes propriétés électriques - telles que sa forte résistance diélectrique, son extinction d'arc efficace, sa stabilité thermique et son électro-négativité forte - et son insensibilité à l'humidité, à la pollution et aux altitudes élevées, ce qui en fait un choix idéal pour les équipements électriques compacts, le SF₆ est reconnu comme un puissant gaz à effet de serre. Environ 80 % de la production mondiale de SF₆ est utilisée dans l'industrie électrique. Tant le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) que l'Agence de protection de l'environnement des États-Unis (EPA) classent le SF₆ parmi les gaz à effet de serre les plus nocifs. La réglementation européenne sur les gaz fluorés (F-Gas Regulation, 2006) interdit l'utilisation de SF₆ dans la plupart des applications, sauf là où il n'existe pas de solutions alternatives viables pour les équipements de commutation électrique.
De plus, les ARNA SF₆ impliquent une complexité d'utilisation élevée et un investissement important, nécessitant divers équipements auxiliaires :
Systèmes de détection de fuite de SF₆ pour surveiller les fuites, la concentration, les niveaux d'oxygène et la teneur en humidité.
Équipements de récupération de SF₆ : Pendant l'interruption d'arc, des sous-produits tels que le SF₄ sont générés ; ainsi, en fin de vie, non seulement le SF₆ résiduel doit être récupéré, mais les sous-produits toxiques doivent également être traités de manière spéciale.
Systèmes de purification de SF₆ pour nettoyer et réutiliser le gaz.
Systèmes de ventilation dans les sous-stations.
Lors de l'utilisation des ARNA SF₆, les mesures suivantes doivent être observées :
Minimiser les fuites de SF₆. Bien que les ARNA SF₆ utilisent des boîtiers scellés sous surpression, les fuites de gaz sont inévitables. Une pression de gaz réduite diminue la fiabilité de la commutation, mettant directement en danger la sécurité des personnes et raccourcissant la durée de vie de l'équipement.
Le personnel doit effectuer une ventilation forcée et porter des équipements de protection spécialisés avant d'entrer dans les sous-stations équipées de matériel SF₆.
Les opérations sont complexes, nécessitant une formation approfondie et répétée pour le personnel concerné.
3 Caractéristiques et applications des armoires de réseau en anneau à isolation solide
Les dangers environnementaux potentiels associés aux armoires de réseau en anneau SF₆ (ARNA) ont limité leur développement ultérieur, rendant la recherche de substituts au SF₆ un axe de recherche clé à l'échelle mondiale. Les ARNA à isolation solide ont été développées et introduites pour la première fois par Eaton Corporation des États-Unis à la fin des années 1990. Ces unités ne produisent aucun gaz nocif pendant leur fonctionnement, n'ont aucun impact environnemental, offrent une fiabilité supérieure et atteignent une véritable opération sans entretien.
Une ARNA à isolation solide intègre des interrompeurs à vide, des interrupteurs de sectionnement, des interrupteurs de terre, des conducteurs principaux, des barres de branchement ou des combinaisons de ceux-ci, encapsulés dans de la résine époxy ou d'autres matériaux d'isolation solide. Ces composants sont scellés dans des modules fonctionnels entièrement isolés et entièrement scellés qui peuvent être recombinés ou étendus. Des couches de blindage conductrices ou semi-conductrices sont appliquées aux surfaces extérieures des modules accessibles au personnel, assurant un contact de terre fiable.
3.1 Caractéristiques des armoires de réseau en anneau à isolation solide
(1) Conception respectueuse de l'environnement. Ces unités n'utilisent pas de SF₆ comme milieu d'isolation ou d'extinction d'arc. Au lieu de cela, elles emploient des interrompeurs à vide pour la commutation et des matériaux primaires d'isolation écologiques et recyclables. En minimisant le nombre de composants, elles garantissent une faible consommation d'énergie et des taux de défaillance réduits pendant l'exploitation.
(2) Vraiment sans entretien. Les ARNA à isolation solide éliminent la nécessité de réservoirs de pression de SF₆. L'isolation interne et l'interruption d'arc reposent sur la technologie du vide, tandis que l'isolation externe utilise des matériaux solides tels que des boîtiers d'isolation. Grâce à la technologie de moulage, l'interrompeur à vide, le chemin conducteur principal et les supports d'isolation sont intégrés en une seule unité scellée dans un boîtier métallique, rendant les performances insensibles aux facteurs environnementaux externes. La structure entièrement isolée et scellée élimine la nécessité de détecter les fuites de SF₆, de remplir le gaz et de gérer les déchets, permettant une véritable exploitation sans entretien.
(3) Haute rentabilité. Bien que l'investissement initial pour les ARNA à isolation solide soit légèrement supérieur à celui des ARNA SF₆, le coût total sur le cycle de vie est significativement inférieur, comme le montre le tableau 1. Les utilisateurs prennent de plus en plus en compte des facteurs globaux tels que les risques de sécurité, la qualité de l'électricité, le contrôle des coûts et la durabilité - et non seulement le prix d'achat initial - mais aussi le coût total de possession. Les coûts cumulatifs de maintenance, de remplissage de gaz, de gestion des fuites et de récupération en fin de vie pour les ARNA SF₆ peuvent s'approcher de leur coût d'achat initial, tandis que les ARNA à isolation solide n'exigent aucun coût supplémentaire après l'installation. Ainsi, à long terme, les ARNA à isolation solide offrent des avantages économiques supérieurs.
(4) Structure compacte. Conçues pour être aussi compactes que possible tout en assurant la sécurité et la facilité d'exploitation, ces unités ont une empreinte et un volume plus petits que même les ARNA SF₆, aidant les utilisateurs à économiser de l'espace et à réaliser des bénéfices économiques directs.
(5) Résistance aux défauts d'arc interne, sécurité et fiabilité accrues. Selon les rapports Exnis, des pertes importantes dues à l'arcing interne dans les équipements de commutation primaire et secondaire se produisent au moins une fois par an. La plupart des ARNA à isolation solide intègrent des conceptions résistantes à l'arc qui minimisent l'impact des arcs internes, assurant une exploitation plus sûre et plus fiable.
(6) Espaces de sectionnement visibles. Équipées de fenêtres d'observation, ces unités permettent une inspection visuelle directe des contacts de l'interrupteur de sectionnement à trois positions, assurant des points de sectionnement visibles et améliorant la sécurité des opérateurs.
(7) Capacités intelligentes. Les ARNA à isolation solide s'adaptent plus facilement à l'automatisation de la distribution. En installant des terminaux de distribution (TDU) et des dispositifs de communication, des fonctions telles que la surveillance de l'état, la télécommande (fonctions "quatre-remote"), la communication, l'auto-diagnostic et la journalisation des événements peuvent être facilement mises en œuvre.
3.2 Statut actuel de l'application
Actuellement, l'adoption généralisée des ARNA à isolation solide est limitée par leur coût relativement élevé et des processus de fabrication complexes. Leur production nécessite une précision technique supérieure par rapport aux ARNA à isolation SF₆. Des techniques de fabrication inadéquates peuvent entraîner des risques d'isolation plus importants, des probabilités de défaillance plus élevées et des dangers accrus par rapport aux ARNA SF₆, nécessitant un contrôle strict de la qualité des matières premières et des normes de processus. De plus, les configurations de câblage des ARNA à isolation solide sont moins flexibles, en particulier pour les unités fonctionnelles telles que les armoires de transformateur de tension (PT) et les armoires de comptage, offrant des options limitées et restreignant leur application et développement.
Avec l'optimisation continue des processus de production et l'augmentation de la standardisation, la qualité des ARNA à isolation solide devient plus stable et les prix diminuent progressivement. Certains pays offrent des incitations de 5% à 10% pour les produits qui n'utilisent pas de SF₆ afin de réduire les émissions. Cela encourage les utilisateurs à prendre en compte le coût total sur le cycle de vie plutôt que le prix d'achat initial. En s'appuyant sur les pratiques internationales, les ARNA à isolation solide peuvent être priorisées dans les projets sensibles à l'environnement ou nouveaux - tels que les communautés résidentielles, les bâtiments publics et les infrastructures municipales - tout en remplaçant progressivement les ARNA SF₆.
Les ARNA SF₆ vieillissantes ou en fin de vie peuvent être remplacées de manière systématique en fonction de la durée de vie spécifiée par le fabricant. Des subventions pour les utilisateurs adoptant des ARNA à isolation solide écologiques peuvent soutenir davantage la prise en compte du coût total sur le cycle de vie, promouvoir l'adoption des produits et favoriser les technologies responsables sur le plan environnemental. À mesure que la sensibilisation à l'environnement s'accroît, les ARNA à isolation solide, en tant qu'une alternative aux ARNA SF₆, remplaceront progressivement une partie des unités SF₆ existantes et trouveront une application généralisée, démontrant un fort potentiel de marché.
4 Conclusion
Les ARNA à isolation solide sont techniquement comparables aux ARNA SF₆ et possèdent des avantages uniques tels que l'absence totale d'émissions nocives, une véritable opération sans entretien et des coûts totaux sur le cycle de vie inférieurs, ce qui les rend de plus en plus attractives pour les utilisateurs. Le "Premier catalogue de nouvelles technologies clés à promouvoir en priorité" de la State Grid Corporation of China (2011) a indiqué que, compte tenu des tendances vers une fiabilité technique accrue et des exigences environnementales plus strictes, les ARNA à isolation solide sont prêtes à remplacer entièrement les ARNA SF₆.
De plus, la "Spécification technique pour les armoires de réseau en anneau à isolation solide de 12 kV" publiée par la State Grid Corporation en 2012 a confirmé que les ARNA à isolation solide sont techniquement capables de répondre à des demandes opérationnelles complexes et représentent une nouvelle direction dans le développement des ARNA, méritant une promotion active. Cela marque une reconnaissance formelle des ARNA à isolation solide par l'industrie et la communauté technique. En tant qu'alternative viable aux ARNA SF₆, les ARNA à isolation solide remplaceront progressivement une partie des unités SF₆ existantes, réalisant une application généralisée et démontrant d'excellentes perspectives de développement futur.
