Comparaison des unités principales en anneau isolées au gaz SF6 et des unités principales en anneau à isolation solide

Introduction​
Actuellement, les unités de distribution à anneau isolées au SF6 (désormais appelées "SF6 RMUs") dominent le marché. Cependant, le gaz SF6 est reconnu internationalement comme l'un des principaux gaz à effet de serre. Pour atteindre la protection de l'environnement et la réduction des émissions, son utilisation doit être réduite et restreinte. L'apparition des unités de distribution à anneau isolées solides (RMUs) a résolu les problèmes associés aux SF6 RMUs tout en intégrant de nombreuses nouvelles fonctionnalités.

​1 Alimentation par anneau et unités de distribution à anneau (RMUs)​​
Le processus d'"urbanisation" place des exigences croissantes sur la fiabilité de la distribution d'énergie. De plus en plus d'utilisateurs nécessitent une alimentation par deux (ou plusieurs) sources d'énergie. L'utilisation d'un système d'alimentation "radiale" peut entraîner des difficultés d'installation des câbles, des défis de dépannage et des inconvénients lors des mises à niveau et des extensions du réseau. En revanche, une "alimentation par anneau" peut fournir commodément des sources d'énergie doubles (ou multiples) pour les charges critiques, simplifie les lignes de distribution, facilite le routage des câbles, réduit les besoins en matériel de commutation, diminue les taux de panne et facilite l'identification des points de défaillance.

​1.1 Alimentation par anneau​
L'alimentation par anneau fait référence à un système où deux (ou plus) lignes sortantes de sous-stations différentes ou de barres de bus différentes dans la même sous-station sont interconnectées pour former une boucle d'alimentation. Ses avantages incluent : chaque branche de distribution peut puiser de l'énergie du conducteur principal à sa gauche ou du conducteur principal à sa droite. Cela signifie qu'en cas de panne sur l'un des conducteurs principaux, l'alimentation peut continuer à être fournie de l'autre côté. Bien que ce soit une alimentation monophasée en essence, chaque branche de distribution gagne effectivement les avantages similaires à une alimentation biphasée, améliorant considérablement la fiabilité. Les réglementations en Chine stipulent que la connexion principale par anneau dans les villes suit le "Critère de sécurité N-1". Cela signifie que si N charges sont présentes sur la ligne, lorsque l'une des charges subit une panne, le système peut accepter la charge transférée, garantissant que les "N-1" charges restantes continuent à recevoir une alimentation électrique sûre sans provoquer de coupures ou de délestages.

​1.2 Méthodes de connexion par anneau​

• ​Connexion en anneau standard :​​ Fournie par une seule source, formant un anneau à travers les câbles eux-mêmes, assurant une alimentation fiable à toutes les autres charges en cas de panne d'une section de câble.
• ​Connexion en anneau à partir de barres de bus différentes :​​ Cette connexion dispose de deux sources d'énergie, généralement opérée en boucle ouverte, offrant une plus grande fiabilité de l'alimentation et une plus grande flexibilité opérationnelle.
• ​Connexion en anneau simple :​​ Les sources d'énergie sont prises de sous-stations différentes ou de deux sections de barres de bus. Lorsqu'une section de câble du réseau est en maintenance, cela ne cause aucune coupure de charge.
• ​Connexion en double anneau :​​ Chaque charge peut recevoir de l'énergie d'un réseau d'anneau indépendant, offrant une très grande fiabilité.
• ​Connexion en double "T" à double source :​​ Deux circuits de câbles sont connectés à partir de sections de barres de bus différentes. Chaque charge peut puiser de l'énergie des deux câbles. Cette méthode réalise essentiellement une absence de coupure pour les utilisateurs à double source et est particulièrement adaptée à certains utilisateurs critiques.

​1.3 Unités de distribution à anneau (RMUs) et leurs caractéristiques​
Les RMUs font référence aux armoires de commutation utilisées pour l'alimentation par anneau. Les types d'armoires comprennent des interrupteurs de charge, des disjoncteurs, des combinaisons d'interrupteurs de charge + fusibles, des appareils combinés, des couplages de bus, des unités de comptage, des transformateurs de tension (VTs), etc., ou toute combinaison ou extension de ceux-ci.

Les RMUs présentent une structure compacte, une empreinte au sol réduite, un coût faible, une installation facile et des temps de mise en service courts, répondant à l'exigence de "miniaturisation des équipements". Elles sont largement utilisées dans les complexes résidentiels, les bâtiments publics, les sous-stations d'entreprises de petite et moyenne taille, les postes de transformation secondaires, les sous-stations compactes et les boîtes de jonction de câbles.

​1.4 Types de RMUs​

• ​RMUs à isolation à l'air :​​ Utilisent l'air comme milieu d'isolation. Elles ont une empreinte au sol et un volume importants, et sont sensibles aux influences environnementales.
• ​RMUs à isolation au SF6 :​​ Utilisent le gaz SF6 comme milieu d'isolation. L'interrupteur principal est enfermé dans une coque métallique scellée remplie de gaz SF6, avec le mécanisme de commande situé à l'extérieur de la coque. En raison de l'encapsulation scellée, elles ne sont pas affectées par l'environnement extérieur. Leur volume est significativement plus petit que celui des RMUs à isolation à l'air standard, faisant d'elles le type le plus couramment utilisé actuellement.
• ​RMUs à isolation solide :​​ Utilisent des matériaux d'isolation solides comme principal milieu d'isolation. L'interrupteur et toutes les parties sous tension sont encapsulés ou moussés avec des matériaux d'isolation tels que la résine époxy. Comme les distances d'isolation sûres entre phases et entre phase et terre à l'intérieur de l'interrupteur sont réduites, leur taille et leur volume sont similaires à ceux des RMUs à isolation au SF6. Elles ne produisent aucune émission de SF6 et atteignent une véritable opération sans entretien.

​2 Limitations d'utilisation des RMUs à isolation au SF6​
Le SF6 est un contributeur majeur aux effets de serre atmosphériques. Cependant, le SF6 possède des propriétés électriques idéales (excellente isolation, extinction d'arc et refroidissement), une forte électronégativité, une bonne conductivité thermique et stabilité, est réutilisable, insensible aux conditions ambiantes (humidité, pollution, altitude élevée) et permet des conceptions d'armoires compactes. Par conséquent, il est largement utilisé comme milieu d'isolation et d'extinction d'arc dans les équipements électriques. La consommation de SF6 est la plus élevée dans l'industrie de l'énergie ; les statistiques indiquent que 80% du gaz SF6 produit annuellement est utilisé dans les équipements électriques.

Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) et l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA) classent tous deux le SF6 comme un gaz à effet de serre extrêmement nocif et impactant. La réglementation européenne sur les gaz fluorés (F-Gas) de 2006 stipule : à l'exception des équipements de commutation électriques pour lesquels aucune alternative viable n'existe, l'utilisation de SF6 est interdite dans la plupart des domaines.

De plus, les RMUs à isolation au SF6 sont complexes à utiliser et nécessitent un investissement substantiel, nécessitant de nombreux dispositifs auxiliaires :

• ​Acheter des équipements de surveillance des fuites de SF6 :​​ Utilisés pour la détection des fuites de gaz SF6, la surveillance de la concentration de SF6 et du contenu en oxygène, la détection de l'humidité, etc.
• ​Équiper des unités de récupération de SF6 :​​ Des sous-produits tels que le SF4 sont générés à l'intérieur de la chambre de gaz pendant le processus d'extinction d'arc au SF6. Par conséquent, en fin de vie, non seulement le gaz SF6 restant doit être récupéré, mais les sous-produits toxiques résiduels nécessitent un traitement spécial.
• ​Configurer des équipements de purification de gaz SF6 :​​ Pour purifier et recycler le gaz SF6.
• ​Installer des équipements de ventilation dans les sous-stations.​​

Lors de l'utilisation des RMUs à isolation au SF6, il est impératif de :

• ​Minimiser les fuites de SF6 :​​ Les RMUs à isolation au SF6 utilisent des cavités scellées sous pression, mais les fuites de gaz sont inévitables. Effectuer des opérations de commutation lorsque la pression de SF6 est basse entraîne une faible fiabilité, menaçant directement la sécurité des opérateurs et réduisant la durée de vie des équipements.
• ​Avant que les travailleurs n'entrent dans la sous-station, une ventilation forcée doit être effectuée, et ils doivent porter des équipements de protection spéciaux.​​
• ​Les opérations et procédures sont complexes, nécessitant une formation répétée du personnel concerné.​​

​3 Caractéristiques et applications des RMUs à isolation solide​
La menace environnementale potentielle des RMUs à isolation au SF6 limite leur développement ultérieur. Trouver des alternatives au SF6 a été un sujet de recherche à l'échelle mondiale. Les RMUs à isolation solide ont été développées et introduites pour la première fois par Eaton Corporation (États-Unis) à la fin des années 1990. Pendant leur fonctionnement, elles ne génèrent aucun gaz toxique ou nuisible, n'ont aucun impact environnemental, offrent une plus grande fiabilité et atteignent une véritable opération sans entretien.

Les RMUs à isolation solide font référence aux systèmes où les circuits conducteurs primaires - tels que l'interrupteur à vide, le disjoncteur, l'interrupteur de terre, la barre de bus principale, la barre de bus de branchement - sont individuellement ou en combinaison enveloppés de matériaux d'isolation solides tels que la résine époxy. Ils sont encapsulés dans des modules fonctionnels entièrement isolés et scellés qui peuvent être combinés ou étendus. Les surfaces extérieures des modules accessibles au personnel sont recouvertes d'une couche de blindage conductrice ou semi-conductrice et peuvent être directement et de manière fiable mis à la terre.

​3.1 Caractéristiques des RMUs à isolation solide​

• ​Conception écologique :​​ Ne utilise pas le SF6 comme milieu d'isolation ou de commutation. Au lieu de cela, le vide est utilisé comme milieu d'extinction d'arc pour les interrupteurs, et des matériaux respectueux de l'environnement sans impact environnemental (et recyclables) sont utilisés comme principal milieu d'isolation. De plus, le nombre de composants est minimisé pour assurer une faible consommation d'énergie pendant l'exploitation et moins de points de défaillance potentiels.
• ​Vraiment sans entretien :​​ Les RMUs à isolation solide éliminent la cuve de pression de SF6. L'isolation et l'extinction d'arc internes du corps de l'interrupteur utilisent un milieu de vide ; l'isolation externe utilise des matériaux diélectriques solides tels que des cylindres isolants. Le cylindre isolant utilise une technologie de moulage solide, intégrant l'interrupteur à vide, le circuit conducteur principal et les supports isolants en une seule unité, scellée dans un boîtier métallique, non affectée par l'environnement extérieur. Grâce à la structure entièrement isolée et scellée, et à l'absence de problèmes tels que la détection de fuites de SF6, le remplissage et l'élimination des déchets, une véritable opération sans entretien est réalisée.
• ​Haute rentabilité :​​ Bien que l'investissement initial pour les RMUs à isolation solide soit légèrement supérieur à celui des RMUs à isolation au SF6, le coût total sur le cycle de vie est significativement inférieur, comme le montre le tableau 1. Les considérations des utilisateurs sont de plus en plus complètes, englobant non seulement le prix d'achat initial, mais également les coûts totaux sur le cycle de vie, y compris les risques de sécurité, la qualité du réseau, le contrôle des coûts et la durabilité. Les coûts nécessaires pour l'entretien, le remplissage de gaz, la gestion des fuites et la récupération finale des RMUs à isolation au SF6 pendant leur durée de vie sont presque équivalents au coût d'achat. En revanche, les RMUs à isolation solide impliquent un investissement initial unique avec pratiquement aucun coût ultérieur. Par conséquent, sur le long terme, l'efficacité économique des RMUs à isolation solide est bien supérieure à celle des RMUs à isolation au SF6.

​Tableau 1 : Comparaison des coûts sur le cycle de vie entre les RMUs à isolation au SF6 et les RMUs à isolation solide​

• ​Structure compacte :​​ Conçue pour être aussi compacte que possible tout en assurant la sécurité de l'armoire et la facilité d'exploitation. Leur empreinte au sol et leur volume sont encore plus petits que ceux des RMUs à isolation au SF6, aidant les utilisateurs à économiser de l'espace et offrant des avantages économiques directs.
• ​Conception résistante à l'arc interne, plus sûre et plus fiable :​​ Pour les équipements de commutation primaire et secondaire, des dommages importants dus à l'arc interne se produisent au moins une fois par an. La plupart des RMUs à isolation solide intègrent une conception résistante à l'arc interne. Lorsqu'un arc interne se produit, son impact sur la RMU est minimisé autant que possible, assurant un fonctionnement plus sûr et plus fiable de l'équipement.
• ​Écart d'isolement visualisé :​​ Dispose d'une fenêtre d'observation visuelle pour vérifier facilement l'état de contact du disjoncteur triple position interne, offrant une isolation visible sur site et améliorant la sécurité des opérateurs.
• ​Fonctionnalités intelligentes :​​ Plus faciles à mettre en œuvre pour l'automatisation de la distribution par rapport aux RMUs à isolation au SF6. Après l'installation d'une unité terminale de distribution (DTU) et de dispositifs de communication, des fonctions telles que l'acquisition et la surveillance des données d'état, les fonctions "Quatre-à-distance" (télésignalisation, télémétrie, télécommande, télérégulation), la communication, l'auto-diagnostic et la journalisation / rapports peuvent être facilement réalisées.

​3.2 État d'application​
Actuellement, l'adoption généralisée des RMUs à isolation solide est limitée par leur prix relativement plus élevé et des processus de fabrication complexes. Leurs exigences de processus dépassent celles des RMUs à isolation au SF6. Si les techniques de processus sont insuffisantes, les risques d'isolation, les probabilités de défaillance et les dangers peuvent être plus élevés que ceux des RMUs à isolation au SF6, nécessitant un contrôle strict de la qualité des matières premières et de la main-d'œuvre. De plus, la flexibilité de câblage des RMUs à isolation solide peut être limitée, en particulier pour des unités fonctionnelles telles que les armoires PT (VT) et les armoires de comptage, offrant moins d'options de connexion et limitant le choix de l'utilisateur, ce qui restreint également l'application et le développement des RMUs à isolation solide.

Avec l'optimisation continue des structures de production et l'augmentation de la standardisation dans la fabrication des produits, la qualité des RMUs 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 son utilisation et ses émissions. Cela signifie que les utilisateurs ne prennent pas uniquement en compte les coûts d'achat dans la prise de décision. Nous pouvons également nous inspirer des pratiques internationales : privilégier l'utilisation des RMUs à isolation solide dans les projets sensibles à l'environnement et les nouveaux projets (par exemple, les communautés résidentielles, les bâtiments publics, la construction municipale), tout en éliminant progressivement les RMUs à isolation au SF6. Remplacer les RMUs à isolation au SF6 vieillissantes ou en exploitation selon leur durée de vie promise par le fabricant et accorder des subventions aux utilisateurs adoptant des RMUs à isolation solide respectueuses de l'environnement pour soutenir ces produits. À mesure que la sensibilisation environnementale des utilisateurs et les considérations sur les coûts sur le cycle de vie augmentent, les perspectives pour les RMUs à isolation solide sont vastes.

​4 Conclusion​
Les RMUs à isolation solide sont techniquement équivalentes aux RMUs à isolation au SF6 et possèdent certaines caractéristiques que les RMUs à isolation au SF6 n'ont pas, telles que l'absence d'émissions de gaz nocifs, une véritable opération sans entretien et un coût total sur le cycle de vie inférieur. Elles attirent de plus en plus l'attention et la préférence des utilisateurs.