Application de l'unité de jonction à réseau annulaire isolée solide intelligente (SIRMUs) dans le réseau de distribution de Qinzhou

1 Introduction​

Les régions côtières font face à des défis environnementaux tels que les fortes pluies, la foudre, les températures élevées, l'humidité et la corrosion due aux embruns salés. Pour assurer la sécurité des réseaux de distribution urbains dans de tels environnements, minimiser les coupures d'électricité dues à la maintenance des équipements et prévenir les accidents dus à la fin de vie des équipements et d'autres facteurs affectant la sécurité du réseau, nous avons étudié l'utilisation d'un nouveau type d'Unité de Répartition à Isolation Solide (SIRMU). Cette SIRMU offre une longue durée de vie, un fonctionnement sans maintenance, une conformité environnementale, de l'intelligence et une meilleure fiabilité de l'alimentation électrique.

Actuellement, plus de 90% des Unités de Répartition à Moyenne Tension (RMUs) dépendent du gaz SF₆ comme milieu d'isolation. Le gaz SF₆ est chimiquement très stable, possède d'excellentes propriétés d'isolation et d'extinction d'arc, et est largement utilisé dans les équipements électriques. Les postes de commande et de protection à isolation au gaz SF₆ sont compacts. Cependant, le gaz SF₆ se liquéfie à basse température, réduisant ainsi ses capacités d'isolation et d'extinction d'arc. À haute température, il se décompose en produits toxiques, posant des risques significatifs pour l'homme. De plus, les fuites et les émissions sont inévitables lors du remplissage, de l'exploitation et du recyclage du gaz, ce qui fait du SF₆ un polluant environnemental majeur. Le SF₆ est reconnu internationalement comme l'un des six principaux gaz à effet de serre ; du point de vue environnemental, son utilisation devrait être minimisée ou éliminée. Le principe de conception de l'Unité de Répartition à Isolation Solide élimine fondamentalement le besoin de gaz SF₆, offrant une garantie de base pour la réduction des émissions et la protection de l'environnement dans le secteur des réseaux de distribution, en alignement avec les exigences environnementales.

L'Unité de Répartition à Isolation Solide Intelligente (SIRMU) pour l'extension des réseaux de distribution offre non seulement une grande écologie et une résistance exceptionnelle aux environnements difficiles, mais aussi un haut degré d'intelligence. Sa fonctionnalité englobe toutes les caractéristiques traditionnellement fournies par les équipements des systèmes d'énergie primaire et secondaire dans un seul appareil. Le produit adopte une approche de conception intégrée et modulaire pour les composants haute et basse tension, offrant une excellente polyvalence et extensibilité, représentant un véritable dispositif électrique intelligent.

​2 Application Technique des Unités de Répartition à Isolation Solide Intelligente (SIRMUs)​​

​2.1 Application de la Technologie d'Isolation Solide​

La technologie d'isolation solide consiste principalement à encapsuler et sceller les parties sous tension du circuit principal des tableaux de moyenne tension avec des matériaux solides, ou à transférer l'intensité élevée du champ électrique à l'intérieur du matériau d'isolation solide. Cela permet au matériau solide de supporter des potentiels plus élevés, réduisant ainsi l'intensité du champ dans l'air. Les matériaux d'isolation solide les plus courants sont la résine époxy et le caoutchouc silicone.

L'Unité de Répartition à Isolation Solide (SIRMU) utilise un matériau d'isolation solide comme principal milieu d'isolation. Les composants clés du circuit conducteur, tels que les interupteurs à vide et leurs connexions, les interrupteurs de sectionnement, les interrupteurs de terre, les busbars principaux et les busbars de branchement, sont encapsulés individuellement ou collectivement dans un isolant solide, formant un ou plusieurs modules. Ces modules sont entièrement isolés, entièrement scellés, spécifiques en termes de fonction et conçus pour la recombinaison et l'expansion. Les surfaces accessibles aux humains sont revêtues de couches de blindage conductrices ou semi-conductrices et sont directement et fiablement mises à la terre. Les caractéristiques clés incluent une isolation complète, un scellement total, une modularité, une taille compacte et de l'intelligence. Les SIRMUs présentent des performances nettement supérieures aux RMUs à gaz SF₆ pour résister aux environnements difficiles tels que le froid extrême, les hautes altitudes, l'humidité et les forts vents/sables. Dotées d'un design totalement scellé et étanche sans conducteurs haute tension exposés, elles sont particulièrement adaptées aux zones humides et sujettes aux inondations, capables de fournir une alimentation électrique fiable dans des conditions humides ou submergées.

​2.2 Application de la Technologie de Protection Intelligente​

L'intégration de la technologie de microprocesseurs et d'ordinateurs dans les équipements électriques leur confère des fonctions intelligentes tout en permettant une communication bidirectionnelle avec les centres de contrôle. Cela forme un système de surveillance, de protection et de gestion de réseau intelligent. Grâce à une configuration simple des paramètres, un seul appareil intelligent peut facilement effectuer les fonctions traditionnellement nécessitant plusieurs appareils.

La conception structurelle de la SIRMU répond aux exigences des réseaux intelligents modernes résilients. Elle utilise des algorithmes rapides pour donner aux disjoncteurs des capacités de coupure rapide, permettant une isolation rapide des lignes défectueuses et évitant efficacement les déclenchements en cascade. Équipée d'un système de protection contre les défauts de terre monophasés, elle permet la détection en ligne de tels défauts dans les systèmes non mis à la terre (ou à haute impédance mise à la terre/PET/PEN) sans configuration supplémentaire, fournissant des alarmes ou des commandes de déclenchement selon les valeurs définies. Le circuit principal utilise une conception modulaire monophasée, qui évite entièrement les courts-circuits entre phases pendant l'exploitation et améliore considérablement l'efficacité de la maintenance tout en réduisant les coûts. Un système d'exploitation embarqué intégré présente une architecture CPU centrale, comprenant un processeur ARM (ARMP) pour le traitement général et le contrôle du système, ainsi qu'un DSP puissant pour une multitâche efficace, permettant un traitement de données, un contrôle et une communication à haute vitesse. Les unités sont structuralement compactes, de petite taille, légères et faciles à installer. Les espaces d'isolement sont visiblement vérifiés pour une opération sûre. La reconnaissance automatique du mode d'alimentation permet un changement flexible automatique pour les doubles alimentations, améliorant la fiabilité de l'alimentation électrique. Offrant un support de communication flexible (SMS GSM, GPRS, services sans fil universels CDMA, fibre, paires torsadées, sans fil, porteur), et prenant en charge plusieurs protocoles de communication, facilite la mise en œuvre facile de l'automatisation de la distribution.

​2.3 Sans Maintenance et Écologique​

L'interrupteur principal utilise un disjoncteur à vide sans maintenance, connu pour sa stabilité et sa fiabilité, ne nécessitant pas de maintenance périodique. La conception intégrée de l'interrupteur de sectionnement et de l'interrupteur de terre avec le disjoncteur offre une structure compacte avec des verrous mécaniques et électriques fiables, empêchant efficacement les mauvaises manipulations.

​2.4 Processus de Fabrication Clés et Assurance Qualité pour les SIRMUs​

Pour garantir la stabilité, la cohérence et la qualité de la production - et donc la tenue à long terme de la tension d'isolation des produits SIRMU - les pôles d'isolation solide utilisent le processus de Gelification Automatique sous Pression (APG) lorsqu'ils sont fabriqués en résine époxy. Les exigences de fabrication pour les SIRMUs dépassent celles des RMUs à isolation au gaz SF₆. Un contrôle insuffisant du processus de production augmente considérablement la probabilité et la gravité des défauts et des fautes d'isolation cachés par rapport aux unités SF₆. Un contrôle strict de la qualité des matières premières et des capacités de processus avancées sont essentiels.

L'isolation externe de l'interrupteur à vide est réalisée par plusieurs médias, y compris la résine époxy, le caoutchouc silicone et l'air. Par conséquent, la force d'isolation des matériaux individuels et le traitement des interfaces entre différents médias d'isolation sont cruciaux. Tant la résine époxy que le caoutchouc silicone offrent une excellente résistance diélectrique, atteignant 5 à 6 fois celle de l'air. Atteindre cette force nécessite un contrôle strict du processus de moulage - température et pression optimales - ainsi que l'assurance de la dégazage et de la ventilation des matériaux pendant le moulage pour éviter l'incorporation de micro-bulles. À défaut, cela non seulement réduit la force d'isolation, mais provoque également une distribution inégale du champ électrique, augmentant l'activité de décharge partielle (DP) et posant des risques opérationnels. Le traitement des interfaces assure une force d'isolation suffisante sous contrainte, cycles thermiques, etc., empêchant les défauts d'isolation. Des méthodes de détection fiables de la qualité des interfaces sont nécessaires. Actuellement, les mesures de DP, l'inspection par rayons X et les tests d'impulsion de foudre peuvent évaluer précisément la force d'isolation des interfaces.

L'utilisation de l'inspection par rayons X comme test d'usine empêche les défauts tels que les bulles, les pores ou les fissures dans les assemblages d'isolation solide et assure que les interrupteurs à vide, leurs connexions/terminaisons et les busbars d'isolation solide ne montrent aucune déformation anormale visible sur les images radiographiques par rapport à leurs positions. L'effectuation de mesures de DP empêche l'apparition et l'extinction de DP dans les faiblesses ou les défauts de l'isolation de la SIRMU causés par des champs électriques élevés, évitant la dégradation cumulative menant à la rupture de l'isolation au fil du temps.

​3 Schéma de Conception Technique pour la SIRMU Intelligente​

Sur la base d'une vaste expérience d'exploitation des réseaux de distribution et de l'analyse des équipements avancés nationaux et internationaux, en tenant compte des conditions réelles d'exploitation du réseau et des exigences environnementales, nous avons déterminé, après une comparaison exhaustive, de développer et d'appliquer le projet "Recherche Appliquée sur l'Unité de Répartition à Isolation Solide Intelligente 10kV".

​3.1 Contenu Technique Principal​

De nouveaux types d'Unités de Répartition à Isolation Solide (SIRMUs) AVR-12 sont installés sur le site d'origine. Une configuration d'alimentation double est utilisée, tirant parti des fonctions intelligentes de la SIRMU pour l'isolement rapide des lignes défectueuses, la détection rapide des défauts de terre monophasés et la transmission de toutes les informations des interrupteurs via fibre optique à la Station Maître d'Automatisation de Distribution (DMS) ou par SMS aux téléphones des personnels de maintenance. L'utilisation de la plateforme de surveillance de la station maître permet des statistiques de données et des analyses de panne.

Ce projet est mis en œuvre dans les aspects suivants :

• Sur la base du schéma RMU d'origine et en tenant compte de l'importance de l'utilisateur, l'alimentation est fournie par deux lignes entrantes. En exploitation normale, l'entrée n°1 fournit l'alimentation tandis que l'entrée n°2 est en attente chaude.
• L'équipement principal est l'Unité de Répartition de type AVR-12, composée de 7 baies : 6 baies de disjoncteurs (CB) et 1 baie de transformateur de potentiel (PT).
• Les 6 baies de disjoncteurs adoptent une structure CB + Disjoncteur de Sectionnement (DS) + Interrupteur de Terre (ES), équipées de dispositifs de protection intégrés.
• La baie PT utilise une structure DS + transformateur de potentiel monophasé, fournissant l'alimentation de communication. Le PT peut être commuté en entrée/sortie en utilisant le DS dans la baie PT, permettant la maintenance du PT ou de la ligne sans nécessiter une interruption complète de la SIRMU.
• L'utilisation de SIRMUs de type CB permet de multiples interruptions de courants de court-circuit. Comparé à la protection par fusible, outre l'élimination de l'inconvénient et du gaspillage du remplacement des fusibles, ils offrent une couverture de protection complète contre les courts-circuits par ajustement des paramètres.

​Exploitation Normale :​​
Le contrôleur intelligent acquiert les paramètres (état des disjoncteurs, état des disjoncteurs de sectionnement, courant/tension primaire, courant/tension de séquence nulle, état de la station maître DMS) pour chaque baie d'entrée/sortie. Le téléchargement en temps réel des données via fibre optique vers la Station Maître de Commutation de Distribution Intelligente permet une opération à distance.

​Défaut de Court-Circuit :​​
La fonction de protection rapide du contrôleur intelligent détecte le courant de défaut et le flux de puissance en 15 ms et élimine le défaut en 25 ms, assurant l'alimentation normale de la ligne, empêchant les déclenchements en cascade et minimisant la portée de l'interruption. Les caractéristiques instantanées (tension, courant, état des interrupteurs) permettent de contrôler la caractéristique d'action de l'actuateur à aimant permanent, raccourcissant le temps d'élimination du défaut pour isoler rapidement la ligne défectueuse. Simultanément, le contrôleur transmet les informations d'action de la SIRMU via fibre à la salle de surveillance, permettant une évaluation opportune de l'état du produit et facilitant la localisation de la panne et la restauration de l'alimentation.

​Défaut de Terre Monophasé :​​
Le contrôleur utilise l'amplitude/la phase du courant de séquence nulle et l'amplitude/la phase de la tension de séquence nulle pour déterminer si un défaut se produit du côté de la charge de la SIRMU. Seulement pour les défauts de terre du côté de la charge, le contrôleur émet une commande de protection ou d'alarme et transmet les informations de défaut via fibre. Les défauts du côté source ne déclenchent pas d'actions de ce contrôleur de SIRMU.

​3.2 Principaux Défis Techniques​

(1) L'application de la technologie d'isolation solide et du procédé de fabrication APG pour assurer la fiabilité, la longévité et le fonctionnement sans maintenance des SIRMU dans des environnements de haute température et de forte humidité saline.
(2) L'utilisation d'un concept de conception intégré et flexible combinant la section primaire haute tension du disjoncteur avec la section de contrôle intelligent secondaire. Des capteurs combinés de courant/tension intégrés permettent l'acquisition en temps réel des signaux de tension/courant primaires et de l'état des interrupteurs, permettant un contrôle flexible de l'actuateur du disjoncteur, optimisant le fonctionnement de l'interrupteur à vide.
(3) La détection rapide du courant de défaut et l'exécution des actions de protection.

​Mise en Œuvre du Projet :​​
Ce projet utilise des RMUs à isolation solide avec des dispositifs de contrôle intelligent intégrés. L'interrupteur principal utilise un dispositif combiné comprenant un Disjoncteur à Vide Actionné par Aimant Permanent (VCB) avec un Disjoncteur de Sectionnement (DS) et un Interrupteur de Terre (ES) intégrés. Équipé d'un système de contrôle intelligent, il exécute des fonctions de contrôle automatique même sans coordination DMS. L'actuateur à aimant permanent offre une grande fiabilité et un fonctionnement sans maintenance. La communication par fibre optique permet la collecte en temps réel de tous les paramètres d'exploitation des RMUs, simplifiant la restauration à distance de l'alimentation et l'analyse des pannes, et accumulant de l'expérience pour les terminaux de réseau intelligent. Un boîtier extérieur en acier inoxydable minimise la maintenance future.

​4 Conclusion​

L'Unité de Répartition à Isolation Solide Intelligente (SIRMU) est une RMU de nouvelle génération, sûre, écologique, stable, fiable et hautement intelligente. Elle est particulièrement bien adaptée pour être déployée dans des emplacements difficiles caractérisés par des altitudes élevées, des variations extrêmes de température, de la contamination et de l'humidité.