Recherche sur les équipements de transmission isolés à gaz à ultra-haute tension

Afin de répondre activement aux exigences de développement de l'industrie électrique, notre entreprise a intensifié son enquête sur les pannes de construction du réseau dans une certaine zone et a fourni un soutien opérationnel et de maintenance pour les projets de transmission et de transformation UHV DC dans les régions d'altitude élevée en installant et en optimisant les schémas de conception des équipements de transmission UHV. La superficie totale du site de construction est de 2 541,22 m², avec une superficie nette de 2 539,22 m². Les couches géologiques sur le site de construction, énumérées du haut vers le bas, sont composées de sols semblables au loess, de loess, de sols anciens et d'argile limoneuse - quatre couches de sol de fondation. La géologie est complexe et a subi des effets de haute altitude à long terme, ce qui peut facilement entraîner des pannes de lignes de transmission.

Dans ce contexte, notre entreprise a effectué des calculs de projet et a déterminé que le coefficient de bâtiment du projet est de 61,48 %, et la profondeur de la nappe phréatique varie de 8,8 à 8,9 m, ce qui présente un certain degré de corrosivité pour les structures en béton du projet. Notre entreprise se concentre principalement sur un projet de transmission et de transformation de 110 kV, et l'échelle de construction est indiquée dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Échelle de construction du projet de transmission isolé par gaz UHV

De plus, notre entreprise doit également renforcer la prise en compte de la plage de résistance à la pression des équipements de transmission isolés par gaz à très haute tension et appliquer raisonnablement les isolateurs postes et les isolateurs en cuve pour assurer le fonctionnement stable à long terme des transformateurs.

1. Développement d'un modèle de résistance de contact
Étant donné que le courant de surcharge à travers les conducteurs sous tension est susceptible de se produire lors de l'exploitation de ce projet, il est nécessaire d'éviter la formation de points de contact conducteurs. Cela peut être réalisé en améliorant la compréhension de la zone de point et en maîtrisant le comportement de constriction des chemins de courant [1]. Ainsi, en intensifiant l'observation sur site pour comprendre les changements dans les lignes de courant environnantes, on peut analyser au niveau microscopique la distribution de la surface du sol, du courant de terre, de la source d'alimentation et des points sans fil à distance, permettant une compréhension approfondie des problèmes d'inégalité qui se produisent aux surfaces de contact, comme illustré dans la Figure 1.

En établissant un modèle de contact, cet article, en combinaison avec l'application des équipements de transmission isolés par gaz à très haute tension, définit la résistance de constriction réelle d'un seul point de contact comme suit:
Re = (ρ₁ + ρ₂) / 4α,
où : Re représente la résistance de constriction d'un seul point de contact ; ρ₁ et ρ₂ sont les résistivités des matériaux en contact ; et α désigne le rayon du point de contact.

Ainsi, l'ampleur de la résistance de contact peut être analysée avec précision grâce à une méthode de correction basée sur le contour des doigts de contact en bande. De plus, en examinant les paramètres matériels de l'équipement de transmission isolé dans la zone de contact, il devient possible de déterminer quel matériau doit être utilisé pour la connexion, comme indiqué dans le Tableau 2.

La plage de résistance à la pression des équipements de transmission à isolation gazeuse UHV est de 1 000 kV, avec une tension maximale de tenue de 1 683 kV, assurant ainsi la sécurité de la transmission d'énergie. Sa capacité de transmission peut atteindre 2,4 à 5 fois celle de la transmission EHV de 500 kV. Du gaz SF₆ pur est utilisé comme milieu isolant, avec une pression de remplissage de 0,3 à 0,4 MPa. Avec le GIL (ligne à isolation gazeuse) de deuxième génération, un mélange de 20 % de SF₆ et 80 % de N₂ en fraction volumique est employé comme milieu isolant, avec une pression de remplissage de 0,7 à 0,8 MPa. Alternativement, l'air comprimé sec et propre peut être utilisé comme milieu, avec une pression de remplissage de 1 à 1,5 MPa. Par conséquent, le choix du gaz isolant doit être déterminé selon les conditions sur site pour garantir le fonctionnement stable des équipements de transmission à isolation gazeuse UHV dans le projet. La pression de travail du gaz peut également être augmentée de manière appropriée, et des méthodes d'installation aérienne peuvent être adoptées pour s'assurer que l'équipement est adapté au niveau de tension UHV actuel.

Le personnel doit également prêter une attention particulière à l'état de connexion des joints de matériaux principaux des équipements de transmission à isolation gazeuse UHV afin d'améliorer leur capacité de charge. Le rapport de finesse des membres structurels principaux doit également être calculé:
λ₀ = kL₀ / r,
où : λ₀ désigne le rapport de finesse du membre principal connecté ; k est le coefficient de correction ; L₀ est la longueur du membre principal de l'équipement de transmission à isolation gazeuse UHV ; et r est le rayon de giration du membre principal.

2. Mesures d'application pour les équipements de transmission à isolation gazeuse UHV

2.1 Vérification de la contrainte de la gaine de bus et du conducteur
Lors de l'application des équipements de transmission à isolation gazeuse UHV, il faut également prendre en compte l'état de contrainte de la gaine de bus tubulaire. La pression interne est de 0,6 MPa, et l'élévation du centre de la gaine de bus est de 7,7 m. Dans le système de transmission extérieur existant, la portée maximale entre deux supports est de 12 m. La force externe agissant sur le conducteur est également de 0,6 MPa, et la contrainte admissible pour les deux composants est de 110 MPa. De plus, le système de transmission est fixé via des isolateurs de support triphasés et des conducteurs.

Tout d'abord, le diamètre extérieur de la gaine de bus est de 500 mm, et le diamètre extérieur du conducteur est de 160 mm. Si une pression interne est présente, le diamètre extérieur doit rester inchangé, et l'épaisseur de la paroi doit être augmentée de manière appropriée, de 5 mm à 20 mm. Sur la base de la courbe de variation de la contrainte primaire en fonction de l'épaisseur, on trouve que la contrainte initiale de la gaine de bus est de 18,45 MPa, représentant 16,71 % de la contrainte admissible du matériau ; la contrainte initiale du conducteur est de 3,45 MPa, représentant 3,71 % de sa contrainte admissible. Cela indique que, lorsque le diamètre extérieur reste constant, l'épaisseur de la paroi a un impact significatif sur la réponse à la pression, influençant particulièrement la première contrainte principale du tube. La pression interne modifie les valeurs de contrainte de la structure du pipeline, en particulier pour les tuyaux minces, et les méthodes d'évaluation GIL peuvent être utilisées pour déterminer si la pression affecte la gaine de bus et le conducteur.

Deuxièmement, les pipelines sous pression dans les équipements de transmission à isolation gazeuse UHV, tels que les pipelines sous pression et les élévateurs haute tension, affectent les performances opérationnelles. L'analyse de la contrainte des structures de pipelines sous pression à paroi mince doit être effectuée en utilisant la formule suivante pour calculer la contrainte normale circulaire σₜ sur la section longitudinale du tuyau:
σₜ = ρD / (2δ),
où : ρ est la pression interne du tuyau ; D est le diamètre intérieur du tuyau ; et δ est l'épaisseur de la paroi du tuyau. À mesure que le niveau de tension change, des embases de plus grand diamètre sont préférées pour les niveaux de tension plus élevés, tandis que des embases de plus petit diamètre suffisent pour les niveaux de tension plus bas.

2.2 Clarification des caractéristiques de contact électrique des gaz
Pour les équipements de transmission à isolation gazeuse UHV, les principaux gaz utilisés incluent le SF₆, les mélanges d'azote-oxygène et le N₂. Les recherches sur ces gaz doivent être renforcées pour comprendre leurs différences en termes de caractéristiques de contact électrique. Pour les doigts de contact en sangle, le SF₆ peut être utilisé comme milieu isolant pour tirer pleinement parti de ses excellentes propriétés d'extinction d'arc et d'isolation. La résistance totale de contact (Rₜ) est utilisée pour décrire le comportement électrique des structures porteuses de courant:
Rₜ = Rₚ + R꜀₁ + R꜀₂,
où : Rₚ est la résistance volumique ; R꜀₁ est la résistance de contact de l'électrode supérieure ; et R꜀₂ est la résistance de contact de l'électrode inférieure. Il est donc compris que la résistance diélectrique du SF₆ dépend de la pression du gaz - plus la pression est élevée, plus la résistance diélectrique est grande.

2.3 Optimisation de la conception de l'interstice de champ électrique
Dans ce projet, le champ électrique interne est légèrement non uniforme, avec un coefficient de non-uniformité d'environ 1,7. Si des conditions de tenue de tension d'impulsion de foudre existent dans la zone, elles augmenteront la contrainte sur les lignes de transmission, avec un coefficient d'impulsion de 1,25. Premièrement, sur la base des conditions de tenue de tension à fréquence industrielle et d'impulsion de foudre dans la région, la valeur crête doit être confirmée dans la plage de 1,6 à 1,7 pour assurer le fonctionnement sans problème des équipements de transmission à isolation gazeuse UHV.

En comprenant la structure cylindrique coaxiale, l'intensité du champ électrique E(x) dans la région peut être calculée pour identifier les scénarios nécessitant une optimisation:
E(x) = U / [x · ln(R/r)],
où : x est la distance entre le conducteur et l'enveloppe ; U est la tension appliquée à l'électrode ; R est le rayon intérieur de l'enveloppe ; et r est le rayon extérieur du conducteur central. Cela permet d'évaluer si la surface du conducteur central pourrait être endommagée sous la tension maximale du champ. La sécurité du champ électrique doit être contrôlée, et les performances mécaniques améliorées.

Lors de l'installation de l'infrastructure de champ électrique, la capacité de charge réelle des équipements de transmission à isolation gazeuse UHV doit être vérifiée au niveau du fondation, et les calculs de contrainte complétés:
P = A × F,
où : P est la capacité de charge de l'équipement ; A est la section transversale de la tour de transmission ; et F est la résistance du matériau. De plus, si le sol est constitué d'argile limoneuse, le sous-sol doit être compacté avant la pose de la ligne aérienne.

Grâce à une conception optimisée prenant en compte la structure du produit et les capacités de fabrication, on peut assurer une haute performance d'isolation sous des conditions d'impulsion de foudre. Deuxièmement, si le compartiment de gaz est long, l'installation des équipements de transmission à isolation gazeuse UHV devient difficile. Dans de tels cas, la pression de travail locale du gaz peut être réglée à 0,4 à 0,5 MPa par la conception du champ électrique, permettant aux particules conductrices de fonctionner normalement sous l'influence du champ électrique sans induire de décharge partielle ou de rupture de l'interstice de gaz.

Enfin, en fonction des conditions spécifiques de l'équipement à très haute tension (THT) isolé au gaz, le diamètre extérieur de la tige conductrice doit être conçu pour être de 130 mm, et le diamètre intérieur du boîtier de 480 mm. Il faut également prêter attention à la section d'insertion : l'épaisseur de la paroi doit être fixée entre 30 et 40 mm, et le jeu doit être <1 mm. Si le rayon de chanfrein externe de la zone d'insertion est fixé à 5 mm, la variation de l'intensité du champ électrique peut être mieux comprise - une intensité de champ plus élevée près du chanfrein correspond à un rayon plus grand, tandis qu'une intensité de champ plus faible correspond à un rayon plus petit. Dans le cadre du contrôle de la concentration locale du champ électrique, il faut éviter une intensité de champ excessive dans le joint, permettant ainsi une conception préliminaire de la connexion électrique pour l'équipement THT isolé au gaz et satisfaisant aux exigences de distribution du signal de champ électrique.

2.4 Conception rationnelle des isolateurs
Comme les isolateurs dans l'équipement THT isolé au gaz fonctionnent au sol, leur tension de flashover est inférieure à la tension de rupture du joint, ce qui en fait un point faible de l'isolation électrique. Par conséquent, il faut renforcer les considérations sur le joint et comprendre l'intensité du champ sous des conditions d'impulsion de foudre pour concevoir correctement les composants isolants.

2.4.1 Contrôle amélioré de l'intensité du champ des isolateurs
Sur la base des conditions de construction du projet, notre entreprise a étudié les phénomènes de flashover le long des surfaces d'isolateur, y compris les effets du matériau, de la structure et de la charge de surface de l'isolateur. Il faut également éviter la contamination par des particules métalliques. Une structure rationnelle pour l'équipement THT isolé au gaz est assurée en combinant le gaz SF₆, les matériaux isolants et les composants intégrés. En s'appuyant sur l'expérience passée de conception d'isolateurs, l'intensité du champ pendant l'exploitation peut être limitée à la moitié de celle du joint de champ électrique normal. Pour l'équipement isolé uniquement au SF₆, la pression de gaz d'exploitation peut être maintenue entre 0,4 et 0,5 MPa.

L'intensité du champ électrique vertical (Eₛ) peut être calculée par:
Eₛ = 45,5p + 1,7,
où p est la pression du gaz. Ainsi, en fonction de la tension de tenue de l'équipement, l'intensité du champ de conception à la surface du conducteur central peut être contrôlée entre 19,9 et 24,5 kV/mm, tandis que l'intensité du champ à la surface de l'isolateur ne doit pas dépasser 10 kV/mm. Assurer que les isolateurs sont intégrés internement dans le champ électrique empêche des augmentations abruptes du champ sous l'influence de la THT, réduisant le risque d'échec de l'isolation et permettant l'application à long terme de l'équipement de transmission THT isolé au gaz dans le projet.

2.4.2 Conception optimisée des isolateurs de type cuvette
Compte tenu du terrain complexe du projet et de la nécessité de simulation du champ électrique, la conception des isolateurs de type cuvette doit être améliorée - en particulier en omettant les électrodes de blindage. Cette structure permet d'observer l'intensité du champ électrique près du côté du conducteur haute tension de l'isolateur. Si l'intensité du champ est élevée, la valeur maximale sur la surface convexe est trouvée à 12,7 kV/mm et 13 kV/mm sur la surface concave ; dépasser ces seuils indique un fonctionnement anormal. Lorsque l'intensité du champ électrique près de l'isolateur est élevée, la tension de fonctionnement maximale en fréquence industrielle doit être maintenue en dessous de 3,4 kV/mm. L'installation d'électrodes de blindage sur les isolateurs de type cuvette optimise et simule davantage le champ électrique.

En suivant les méthodes de connexion électrique précédentes, la taille de l'électrode de blindage doit être soigneusement contrôlée, et le connecteur d'insertion électrique doit être positionné au chanfrein de l'isolateur de type cuvette pour souligner son effet de blindage, améliorant ainsi la distribution du champ électrique de l'équipement de transmission THT isolé au gaz.

3. Conclusion
Pour répondre aux exigences de développement global des entreprises d'électricité, notre entreprise doit renforcer davantage la recherche sur l'équipement de transmission THT isolé au gaz. Sur la base des conditions d'exploitation spécifiques, les problèmes doivent être analysés et résolus par des méthodes telles que l'établissement d'un modèle de résistance de contact, la vérification de la contrainte sur le bus et le conducteur, la clarification des caractéristiques de contact électrique du gaz, l'optimisation de la conception du joint de champ électrique et la conception rationnelle des isolateurs - prolongeant ainsi la durée de vie de l'équipement.