Solution de transformateur combiné (CIT) : Perspective de conception et d'intégration d'ingénierie

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1. Concept de solution de base : Plateforme modulaire avec isolation partagée

Conception : Développer une plateforme unifiée et modulaire abritant à la fois les fonctions de détection de courant et de tension dans une structure unique et optimisée.
Isolation : Utiliser une enveloppe d'isolation partagée. Deux options sont conçues :

Gaz SF6 : Forte résistance diélectrique éprouvée et excellentes propriétés d'extinction d'arc pour les classes de tension supérieures (par exemple, 72,5 kV et au-dessus). La conception intègre la surveillance de la densité de gaz et des technologies de scellement éprouvées.
Logement composite (isolation solide) : Solution écologique utilisant des matériaux polymères de haute qualité avec des bardeaux en silicone. Idéal pour les tensions inférieures à moyennes ou là où l'évitement du SF6 est imposé. Optimisé pour la distance de glissement et les performances face à la pollution.

Modularité : Concevoir les composants internes et les interfaces pour permettre :

La scalabilité sur différentes classes de tension (par exemple, par ajustement de la longueur de l'isolateur).
L'adaptation aux exigences spécifiques des interfaces de broche.
Le potentiel d'améliorations futures de la technologie des capteurs.

2. Mise en œuvre de la technologie de détection intégrée

Mesure du courant :

Capteur : Bobines de Rogowski de haute précision compensées en température. Sélectionnées pour :

Large gamme dynamique : Excellente linéarité depuis de petites fractions du courant nominal jusqu'aux forts courants de défaut (par exemple, >40 kA).
Absence de saturation : Avantage fondamental par rapport aux transformateurs de courant à noyau de fer, éliminant le risque de saturation lors des défauts.
Léger : Réduit considérablement la contrainte mécanique sur la structure globale.

Intégration : Bobines placées stratégiquement à l'intérieur de l'enveloppe d'isolateur, concentriques avec le conducteur primaire. Montage mécanique sécurisé résistant aux vibrations.

Mesure de tension :

Capteur : Diviseurs de tension capacitifs (DVC) de haute stabilité comme standard. Les diviseurs de tension résistifs (DVR) sont envisagés pour des applications spécifiques en courant continu ou à large bande passante nécessitant une réponse transitoire rapide.
Intégration : Électrodes de détection DVC (faible impédance) intégrées directement dans la structure de l'isolateur. Des électrodes de gradation précises assurent une distribution uniforme du champ électrique et une stabilité thermique et face à la pollution. Un blindage critique prévient l'interférence des champs externes.

3. Modélisation avancée des champs électromagnétiques et isolation (défi d'ingénierie critique)

Modélisation : Modélisation 3D fidèle par méthode des éléments finis (MEF) de toute la plateforme :

Caractérise précisément les champs électromagnétiques internes sous toutes les conditions opérationnelles (sinusoïdales, transitoires, formes d'onde distordues).
Évalue les effets de proximité des conducteurs, de l'enveloppe et des phases adjacentes.

Réduction du crosstalk :

Séparation physique : Arrangement géométrique optimal des éléments de détection (bobines, électrodes DVC) basé sur les résultats de la modélisation. Maximise la distance dans les contraintes.
Blindage actif : Mise en œuvre de boucliers électrostatiques mis à la terre placés stratégiquement entre les éléments de capteur basés sur les données de simulation de champ.
Bagues de garde : Utilisation de bagues de garde conductrices autour des sorties des bobines de Rogowski pour drainer les courants de déplacement.

Isolation de mesure précise :

Chemins de signal dédiés : Routage des signaux des capteurs individuels à l'aide de câbles torsadés blindés à l'intérieur de l'enveloppe immédiatement après la capture.
Conception de circuit compensée : Circuits électroniques de conditionnement conçus avec des techniques d'annulation de crosstalk informées par les modèles MEF.
Validation : Tests rigoureux en usine (y compris des tests d'injection harmonique) pour caractériser et vérifier les marges d'isolation et les niveaux de crosstalk (< 0,1% spécifiés).

4. Traitement numérique intégré et interfaces standardisées

Traitement de signal embarqué :

Circuits intégrés spécifiques (ASIC) à faible consommation ou microcontrôleurs de haute fiabilité directement intégrés sur la plateforme de capteur ou sur un module scellé adjacent.
Fonctions incluent : intégrateur de bobine de Rogowski, mise à l'échelle, conversion ADC, calcul harmonique (si applicable), linéarisation, compensation de température et horodatage.

Sortie numérique standardisée :

Interfaces intégrées : Intégrer des circuits de sortie numériques conformes à la norme IEC 61869 directement dans l'unité CIT.
Protocoles : Support standardisé pour :

IEC 61850-9-2 : Flux de valeurs échantillonnées (SV) sur Ethernet (généralement multicast).
IEC 61850-9-3LE : Profil SV Lightning Edition pour une détermination à faible latence garantie.

Options supplémentaires : Provisions pour des sorties héritées (analogiques, IEC 60044-8 FT3) si nécessaire via des modules optionnels.

Qualité des données : Fonctionnalité unité de fusion (MU) intégrée répondant aux normes de précision (classe TPE/TPM) et de synchronisation (PLL) pertinentes de l'IEC 61869.

5. Considérations de conception et d'intégration ingénierie

Gestion thermique : Les modèles incluent une analyse de performance thermique. La dissipation de puissance des composants électroniques est gérée activement à l'aide de composants à faible consommation, de dissipateurs thermiques localisés potentiels et de chemins de convection optimisés à l'intérieur de l'isolateur.
Robustesse EMC/EMI : Revêtement conforme, boîtiers blindés, ferrites et stratégies de mise à la terre optimisées appliquées aux composants électroniques internes. Protection contre les surtensions conforme aux normes pertinentes (IEC 61000-4-5).
Intégrité mécanique : Analyse structurelle effectuée pour les charges sismiques, les charges de vent, les charges de glace et les forces dynamiques pendant les défauts. L'utilisation optimisée des matériaux (composite/porcelaine/SF6) contribue à une masse sismique réduite.
Calibration et tests en usine : Calibration complète par rapport aux normes de référence (méthodes optiques/VTBI). Inclut la vérification de l'efficacité de l'isolation EM, de la précision de temporisation, de la conformité aux protocoles et des tests diélectriques à pleine puissance.
Cycle de vie et serviceabilité : Conçu pour un entretien minimal (en particulier pour l'isolation SF6 ou solide). Les composants électroniques modulaires peuvent potentiellement être accessibles/testables sans démontage majeur. Les voies de retrait en fin de vie sont prises en compte (récupération/recyclage du SF6).

Avantages réalisés grâce à cette approche de conception et d'intégration :

Réduction de l'encombrement : Jusqu'à 40-50% d'économie d'espace par rapport aux TC/TV séparés - crucial pour les rénovations et les conceptions compactes GIS/AIS.
Précision et sécurité améliorées : Élimine les risques de saturation des TC traditionnels, améliore la réponse transitoire (Rogowski/DVC), réduit les connexions externes/risques.
Installation simplifiée : Le montage et la mise en service d'une seule unité réduisent considérablement le travail de terrain et la complexité des câblages.
Coûts de cycle de vie réduits : Réduction des coûts d'installation, de câblage, de travaux civils et de maintenance.
Préparation pour les postes électriques numériques : La sortie directe IEC 61850-9-2/3LE permet une intégration transparente dans les systèmes modernes de protection, de contrôle et de surveillance (SAS).
Plateforme future-proof : La conception modulaire permet d'accueillir les technologies de capteurs et les normes de communication évolutives.
Réduction de l'impact environnemental (option d'isolation solide) : Élimine l'utilisation de SF6 et les risques associés.