Comment effectuer la coordination de l'isolation dans la conception de sous-station haute tension

La coordination de l'isolation est une discipline technique fondamentale dans la conception de sous-stations à haute tension qui garantit que les équipements électriques peuvent résister aux différentes contraintes électriques rencontrées pendant le fonctionnement normal et dans des conditions anormales. Ce processus systématique consiste à choisir les niveaux d'isolation appropriés pour les équipements, à mettre en œuvre des mesures de protection et à établir un cadre coordonné qui équilibre les considérations de sécurité, de fiabilité et d'économie. La coordination de l'isolation est le processus qui permet d'assurer que l'isolation des équipements électriques peut résister aux surtensions susceptibles de se produire pendant la durée de vie du système, sans dépasser les limites économiquement et opérationnellement justifiées.

Qu'est-ce que la coordination de l'isolation?

La coordination de l'isolation est une « sélection de la résistance à l'isolation » et une série d'étapes utilisées pour sélectionner la résistance diélectrique de l'équipement en fonction des tensions de fonctionnement et des surtensions transitoires qui peuvent apparaître sur le système auquel l'équipement est destiné.

L'objectif principal de la coordination de l'isolation est d'établir une marge de protection entre les contraintes électriques que les équipements devront supporter et leur capacité à résister sans défaillance, ce qui exige un équilibre stratégique entre la résistance à l'isolation des composants du système et la stratégie de protection contre les surtensions, assurant ainsi une fiabilité sans surconception excessive.

La protection de l'isolation d'un système électrique est fondamentalement un problème économique. Il ne serait évidemment pas raisonnable d'isoler uniquement pour la tension de fonctionnement et de permettre ainsi à tout transitoire de déclencher une défaillance de l'isolation. De même, il semble tout aussi déraisonnable d'isoler pour tous les événements transitoires, même si cela était possible. Une solution intermédiaire qui nécessite un investissement raisonnable dans l'isolation et les équipements de protection est donc le compromis le plus souvent pris.

Normes internationales régissant la coordination de l'isolation

Les pratiques de coordination de l'isolation sont régies par des normes internationales détaillées qui fournissent des cadres pour la spécification des niveaux d'isolation et des mesures de protection.Elles sont régies par des normes internationales telles que la CEI 60071-1, la CEIE C62.82.1 et les guides d'accompagnement pour la conception de l'isolation spécifique à l'équipement.

Série CEI 60071

La norme CEI pour le niveau d'isolation de base est principalement définie dans la norme CEI 60071, intitulée « Coordination de l'isolation – Partie 1: Définitions, principes et règles ». Cette norme sert de base au choix des niveaux d'isolation dans les systèmes électriques. La série CEI 60071 se compose de plusieurs parties qui traitent de différents aspects de la coordination de l'isolation:

IEC 60071-1: Fournit des définitions, des principes et des règles fondamentaux pour la coordination de l'isolation
IEC 60071-2: Offre des directives pour la mise en œuvre des principes de coordination
IEC 60071-4: présente des guides de calcul pour la coordination de l'isolation et la modélisation des réseaux électriques

Les normes de la CEI qui décrivent les méthodes et définitions de coordination de l'isolation sont IEC60071-1, 60071-2 et 60071-4. Ces normes s'emploient ensemble à fournir un cadre complet couvrant les principes théoriques, l'application pratique et les méthodes de calcul.

Normes de l'IEEE

L'Institut des ingénieurs en électricité et en électronique (IEEE) a élaboré des normes parallèles qui sont largement utilisées, en particulier en Amérique du Nord. La BIL est définie officiellement dans la norme CEI 60071-1 (Coordination de l'isolation – Définitions, principes et règles) et la norme CEI C62.82.1 (Norme de coordination de l'isolation – Définitions, principes et règles).

Les normes IEEE/IEC/CIGRE présentent le niveau d'isolation standard des équipements, des procédures et des lignes directrices de modélisation pour les études IC. La convergence de ces normes internationales contribue à assurer la cohérence de la conception et des essais des équipements entre les différentes régions et les différents fabricants.

Comprendre les surtensions dans les systèmes à haute tension

Les surtensions sont les contraintes électriques primaires que la coordination de l'isolation doit traiter. Les surtensions transitoires sont typiques des systèmes de puissance. Les sources de surtensions sont les frappes éclair directes ou à proximité, les opérations de commutation, les impulsions électromagnétiques et les décharges électrostatiques.

Classement des surtensions

Les surtensions peuvent être classées en fonction de leur origine, de leur durée et de leurs caractéristiques.

Surtensions temporaires (TOV)

Surtension temporaire (TOV) : Surtension de fréquence de puissance de durée relativement longue, causée habituellement par une défaillance ou un rejet de charge. Ces surtensions se produisent à la fréquence de puissance du système (50 Hz ou 60 Hz) et peuvent persister pendant des secondes ou même des minutes. Les surtensions temporaires proviennent habituellement de mouvements de commutation ou d'opérations de compensation de défaillance (p. ex., rejet de charge, défaillance monophasée, défaillance sur un système à haute résistance à la terre ou sans mise à la terre) ou de non-linéarités (effets de ferrorésonance, harmoniques), ou les deux.

Les surtensions temporaires sont particulièrement importantes car leur durée prolongée peut imposer des contraintes à l'isolation et aux dispositifs de protection des équipements. L'ampleur du TOV est souvent caractérisée par le facteur de défaillance terrestre, qui relie la tension de phase à Terre pendant une défaillance à la tension normale de fonctionnement.

Surtensions transitoires

Selon la durée de la surtension, elle peut être divisée en surtensions temporaires et en surtensions transitoires. Les surtensions temporaires se réfèrent à la surtension de la fréquence de puissance avec une longue durée, tandis que les surtensions transitoires durent peu de temps, seulement quelques mS, même le niveau uS, qui peuvent être fortement atténuées onde oscillation ou onde non oscillation.

Surtensions de la foudre (surtensions de la façade rapide)

Les surtensions de la foudre représentent certains des stress électriques les plus graves que les équipements de sous-station doivent supporter. La foudre est aléatoire, et il est toujours possible qu'une frappe de la foudre, contournant le bouclier de la sous-station, frappe les circuits protégés à l'intérieur ou à proximité de la sous-station.

L'impulsion standard est un hameçon de 1,2/50 μs (T1/T2 μs), avec une crête spécifiée en kilovolts. Cela signifie que l'impulsion de tension augmente de zéro à la valeur de crête dans 1,2 μs et diminue à la valeur de 1⁄2 crête dans 50 μs. Le temps et la durée de montée de ce hameçon reproduisent une poussée éclair. Cette forme d'onde normalisée est utilisée pour tester la capacité de l'équipement à résister aux surtensions induites par la foudre.

Dans le cas des sous-stations isolées par l'air, si la foudre frappe ces lignes dans la portée d'une ou deux tours de la sous-station, une surtension est susceptible d'entrer dans la station le long des conducteurs. Même des lignes de transmission bien protégées peuvent permettre une surtension rapide pour entrer dans une station voisine s'il y a un contre-éclair pour le conducteur lors d'une commutation ou d'une surtension.

Surtensions de commutation (surtensions de front bas)

Les surtensions de commutation se produisent lors des opérations normales et anormales de commutation dans le système d'alimentation. Les surtensions de commutation peuvent se produire lors du fonctionnement du disjoncteur et de l'ouverture du commutateur de ligne (détournement) et de la fermeture à la même sous-station. En général, les surtensions de commutation se produisent à proximité d'équipements isolants non auto-remorques tels que générateurs, transformateurs, disjoncteurs et câbles.

Les surtensions de commutation ne sont préoccupantes que sur les systèmes de 245 kV et plus, car leur magnitude pour les systèmes situés en dessous de ce niveau ne dépasse généralement pas 1,5 pu de la tension de phase à sol du système.

BSL: Utilisé pour les équipements à haute tension (habituellement ≥300 kV) où dominent les ondes de commutation; la forme d'onde est généralement 250/2500 μs. Ce segment d'ondes plus lent reflète les caractéristiques des opérations de commutation par rapport aux frappes éclair.

Surtensions transitoires très rapides (VFTO)

Lorsque des déconnexeurs sont utilisés pour faire fonctionner des autobus courts dans un SIG, une surtension de très haute fréquence peut survenir en raison de pannes multiples et de l'extinction des interrupteurs, dont le front initial est généralement compris entre 3 et 200 ns; on appelle cela une surtension transitoire très rapide (VFTO).

Les surtensions à très haut débit (VFFO) proviennent de l'exploitation de débranchements ou de défauts dans le SIG en raison de la rupture rapide de l'écart de gaz et de la propagation presque non amassée des surtensions dans le SIG. Leurs amplitudes sont rapidement amorties en quittant le SIG, par exemple lors d'un douillet, et leur temps avant est généralement augmenté dans la gamme de celles des surtensions à haut débit.

Niveau d'isolation de base (BIL) et niveau d'isolation de support

Le niveau d'isolation de base (BIL) est un paramètre fondamental de la coordination de l'isolation qui définit la résistance électrique de l'isolation de l'équipement. Il représente la tension maximale que l'isolation peut supporter sans panne lors d'un essai d'impulsion par foudre, généralement défini avec une forme d'onde de 1,2/50 μs. La cote BIL n'est pas dérivée des tensions de fonctionnement continues mais de l'essai de résistance par impulsion et est toujours significativement plus élevée que la tension de fonctionnement nominale du système.

Comprendre les cotes BIL

La norme CEI pour le niveau d'isolation de base (BIL) joue un rôle clé dans la conception des équipements haute tension. Elle garantit que les systèmes électriques peuvent résister aux surtensions sans se décomposer. Les valeurs BIL sont normalisées pour différentes classes de tension afin d'assurer la cohérence entre les équipements de différents fabricants et de faciliter une bonne coordination entre les équipements interconnectés.

Ce niveau est fixé avec une marge de sécurité statistique qui tient compte des tolérances de fabrication, de la variabilité de l'installation, des conditions environnementales et de la nature non déterministe inhérente de la panne d'isolation sous contrainte d'impulsion.

Valeurs normalisées de la BIL

Pour assurer l'uniformité, l'IEC et l'IEEE définissent des valeurs BIL normalisées qui correspondent aux tensions nominales du système. Ces valeurs normalisées simplifient les spécifications et l'acquisition de l'équipement tout en garantissant des marges de protection adéquates.

La CEI définit des niveaux d'isolation standard basés sur la tension du système. Ces niveaux guident les ingénieurs dans le choix des cotes d'isolation appropriées pour les transformateurs, les disjoncteurs, les commutateurs et les barres d'autobus. Le processus de sélection doit tenir compte de l'application spécifique, des conditions environnementales et des dispositifs de protection qui seront utilisés.

Relation entre la LIB et le design physique

La cote BIL influence directement les dimensions physiques des équipements à haute tension. La distance de dégagement est la plus courte voie passant par l'air entre deux parties conductrices ou entre une partie conductrice et le sol. Pour une tension donnée du système, la distance de dégagement requise augmente avec la BIL plus élevée, car l'isolation doit résister aux tensions transitoires de pointe sans flashover.

Par exemple, selon la norme CEI 60071-2, la clairance minimale pour une BIL de 400 kV de 1425 kV est d'environ 3,1 à 3,4 mètres dans des conditions atmosphériques normales.Cette valeur garantit que le système résiste sans rupture à la forme d'onde impulsionnelle de 1,2/50 μs.

Décharge : La distance la plus courte dans l'air entre deux parties conductrices. Elle est déterminée par les tensions de résistance requises (BIL et BSL) pour empêcher le flashover dans l'air. En plus de la distance de dégagement, la distance de fluage le long des surfaces isolantes doit également être prise en compte, en particulier dans les environnements contaminés.

Rôle des personnes qui surgissent dans la coordination de l'isolement

Les dispositifs de protection antidérapants sont les principaux dispositifs de protection utilisés pour limiter les surtensions et protéger l'isolation des équipements. Le dispositif standard pour protéger les équipements des sous-stations contre les surtensions est le dispositif de protection contre les surtensions. Lorsqu'il est connecté de chaque conducteur de phase au sol, le dispositif de protection contre les surtensions transfère les courants de surtensions au sol en toute sécurité, protégeant le système et l'équipement – tels que les transformateurs, les disjoncteurs et les douilles – en isolant les conséquences des surtensions.

Principes de fonctionnement des personnes qui surgissent

Les pare-sèche-glace protègent les sous-stations de puissance en limitant la foudre et en commutant les surtensions à un niveau de protection spécifié en dessous de la tension de l'isolation. Les pare-sèche-glace ont des caractéristiques de tension et de courant non linéaires, leur permettant de commencer la conduction à un niveau de tension spécifié, de maintenir la tension pendant la durée de surtension et d'arrêter la conduction lorsque la tension revient à l'état stationnaire.

Les pare-chocs modernes d'oxyde métallique (MOSA) ont largement remplacé les anciennes conceptions de carbure de silicium en raison de leurs caractéristiques de performance supérieures.

Critères de sélection de l'auteur de l'arrestation

Pour sélectionner correctement les pare-chocs, il faut tenir compte de plusieurs paramètres clés. Les pare-chocs peuvent être spécifiés dans une classe particulière par la tension maximale continue d'exploitation (MCOV). Il est essentiel que la cote MCOV de l'arrêt soit supérieure à la tension maximale continue à laquelle l'arrêt est exposé à tout moment.

Les pare-stop sont conçus pour limiter la tension de l'appareil. Ils doivent être notés juste en dessous de la BIL pour serrer la surtension et protéger le système. La marge de protection entre le niveau de protection de l'appareil et la BIL de l'appareil doit être suffisante pour tenir compte des effets de distance de séparation, de la longueur de l'appareil et d'autres facteurs qui peuvent augmenter la tension de l'appareil protégé.

Arresteur Placement et Distance de séparation

L'emplacement des pare-chocs par rapport à l'équipement protégé est essentiel pour une protection efficace. C'est pourquoi il faut connaître l'emplacement et la distance entre les points d'isolation critiques dans la sous-station avant de pouvoir mener à bien une étude de coordination de l'isolation appropriée.

La formule pour déterminer la distance la plus éloignée possible entre un coupe-arrêt et le transformateur qu'il protège se trouve dans les références ci-dessus ainsi que dans IEC 60099-5. Plus la tension du système est élevée, plus la distance de séparation devient courte parce que le rapport entre la tension du transformateur et la tension du système est réduit.

En raison de ces deux scénarios de casse-tête potentiels, il est conseillé d'appliquer des pare-stop à l'entrée de la ligne de la station pour éliminer le doublement de tension au brise-disjoncteur et un flashover presque certain de son isolation.

Étapes complètes de la coordination de l'isolation

La coordination de l'isolation d'une sous-station à haute tension nécessite une approche systématique qui aborde tous les aspects de la protection contre la surtension et de la sélection des équipements.

Étape 1: Caractérisation du système et collecte de données

La première étape de la coordination de l'isolation consiste à recueillir des informations complètes sur le système et ses conditions de fonctionnement, notamment :

Niveaux de tension et configuration du système
Conception du système de mise à la terre et facteur de défaillance
Caractéristiques et longueurs de la ligne de transmission
Spécifications et emplacements du matériel
Conditions environnementales (altitude, niveaux de pollution, température)
Niveau d ' activité de la foudre dans la région
Fréquences et types de commutation

La norme CEI pour le niveau d'isolation de base décrit plusieurs facteurs qui influencent la sélection de la BIL : Altitude de l'installation : Des altitudes plus élevées réduisent la capacité d'isolation de l'air. Des facteurs de détérioration sont appliqués au-dessus de 1000 mètres. Niveaux de pollution : Dans les environnements industriels ou côtiers, une BIL plus élevée peut être nécessaire pour gérer la contamination de surface.

Étape 2 : Évaluation et classification de la surtension

Évaluation de la surtension La coordination de l'isolation commence par la classification et la quantification des surtensions (TOV, SFO, FFO, VFFO) pour définir les contraintes électriques auxquelles un système sera confronté pendant sa durée de vie opérationnelle.

Pour chaque type de surtension, les ingénieurs doivent déterminer:

Valeurs de surtension représentatives:[ Les niveaux de tension caractéristiques attendus pour chaque type de surtension
Probabilité d'occurrence: Combien de fois chaque type de surtension est-il attendu?
Caractéristiques de la vaverse: Temps de montée, durée et fréquence d'oscillation
Contenu énergétique: La quantité d'énergie que les dispositifs de protection doivent absorber

La norme tient compte de diverses conditions de surtension, y compris les frappes directes par foudre, la foudre à proximité et les opérations de commutation. Elle offre des directives sur la façon d'évaluer l'isolation du système et de choisir la BIL correcte pour chaque classe de tension.

Étape 3: Détermination des tensions de retenue requises

Une fois les surtensions représentatives établies, l'étape suivante consiste à déterminer les tensions de résistance requises pour les équipements. Un paramètre clé de la coordination de l'isolation est la marge de protection, définie comme la différence entre la tension de résistance de l'isolation (généralement BIL pour les impulsions éclair ou BSL pour les surtensions de commutation) et la surtension maximale temporaire ou transitoire qui peut apparaître à un point donné du système.

Le calcul de la tension de résistance requise dépend de la question de savoir si l'appareil est équipé d'une isolation auto-remboursante ou non-remboursante:

Pour les isolants non auto-remboursants (méthode déterministe):

Un transformateur a une isolation non auto-restructuration, donc nous devons utiliser la méthode déterministe. Facteur de coordination (Kc): Transformateur est au niveau de la mer et a une isolation interne à l'huile, donc Kc = 1.0. Facteur de sécurité (Ks): Pour la surtension de foudre, un facteur de sécurité standard est Ks = 1,25 pour tenir compte de la forte conséquence de la défaillance. La tension de résistance requise est calculée en multipliant la surtension représentative par ces facteurs de sécurité et de coordination.

Pour l'isolation auto-remboursante (méthode statistique):

Comme l'isolation des lignes est auto-récupérée, leurs performances sont généralement déterminées par la méthode statistique. Cette approche accepte une certaine probabilité de flashover, généralement exprimée en flashovers par 100 km par an pour les lignes de transmission ou flashovers par 100 ans pour les équipements de sous-station.

Étape 4: Sélection des niveaux d'isolation standard

Après avoir calculé les tensions de résistance requises, les ingénieurs sélectionnent des niveaux d'isolation standard qui satisfont ou dépassent ces exigences. Ces normes fournissent un cadre coordonné pour spécifier les niveaux d'isolation requis en fonction de la tension du système, des grandeurs de surtension attendues, des temps de réponse du dispositif de protection et de la probabilité acceptable de défaillance.

Il est important de distinguer entre BIL, niveau d'impulsion de commutation basique (BSL) et tension de fonctionnement continu (Un): BIL: niveau d'impulsion nominal pour les transitoires éclairs (1,2/50 μs), exprimé en kV (pomme).Résistance de fréquence de puissance: 50/60 Hz appliqué pendant 1 minute; non pas à confondre avec BIL mais aussi partie de la coordination totale de l'isolation. Ensemble, ces niveaux forment une structure d'isolation graduée, avec BIL agissant comme limite supérieure pour les équipements soumis à des surtensions atmosphériques.

Le choix de l'équipement doit garantir que les trois niveaux de résistance (fréquence de puissance, impulsion de commutation et impulsion de foudre) sont adéquats pour les contraintes attendues. Le BIL sélectionné doit être choisi à partir de valeurs normalisées pour assurer la disponibilité et l'interopérabilité de l'équipement.

Étape 5 : Sélection et coordination des personnes arrêtées

Les pare-chocs à l'oxyde de métal sont choisis en fonction de la tension du système et des niveaux de surtension pour détourner les surtensions dangereuses, agissant comme ligne de défense primaire pour les équipements critiques.

Les principaux facteurs à prendre en considération dans le choix des personnes arrêtées sont les suivants :

Continuité de la tension de fonctionnement:[ Doit dépasser la tension maximale continue du système
Capacité de surtension temporaire:[ Doit résister à la durée et à l'ampleur attendues des VT
Caractéristiques de la tension de décharge:[ Doit limiter les surtensions en dessous de l'équipement BIL avec une marge adéquate
Capacité d'absorption d'énergie:[ Doit gérer les énergies de foudre et de commutation attendues
Capacité de soulagement de la pression :[ Doit échouer en toute sécurité en cas de surcharge

Leur capacité de protection contre les surtensions détermine les niveaux d'isolation du système d'alimentation. L'obligation d'un pare-chocs est d'éviter de dépasser les capacités du système et de l'équipement.

Étape 6 : Mise en page et conception de l'autorisation des postes de sous-station

La disposition physique de la sous-station doit fournir des dégagements adéquats en fonction des niveaux d'isolation choisis. La clairance est de phase à phase et de phase à phase : Les deux distances doivent être calculées et mises en œuvre pour assurer la sécurité au sein de la sous-station.

La conception de l'autorisation doit tenir compte des éléments suivants :

Déplacements de phase à phase au sol selon BIL ou BSL
Déplacements de phase à phase pour les conditions de commutation et de défaillance
Facteurs de correction d'altitude pour les installations de plus de 1000 mètres
Autorisations de sécurité pour l'accès et l'entretien du personnel
Volant du conducteur en raison du vent et des forces de court-circuit

Crèche : La distance la plus courte le long de la surface d'un isolant. Elle est conçue pour prévenir le flashover dû à la contamination de la surface et à l'humidité. Niveau de pollution Dictats Crèche : La distance de fluage requise dépend fortement du niveau de pollution environnementale (légère, moyenne, lourde ou très lourde), tel que défini dans la CEI 60815.

Étape 7 : Analyse et simulation transitoires

Une analyse détaillée des transitoires utilisant des programmes électromagnétiques transitoires (EMTP) est essentielle pour vérifier la coordination de l'isolation. Logiciels de transition (principalement domaine temporel) • Exemple est les programmes de transition électromagnétiques (EMTP) tels que l'ATP, le CPSAD, l'EMTP-RV etc. Ces outils de simulation permettent aux ingénieurs de modéliser le système complet et d'évaluer les contraintes de surtension dans diverses conditions d'exploitation.

Les études de simulation devraient comprendre :

Analyse des ondes d'éclairage :[ Rétroaction directe, rétro-éclairement et scénarios de défaillance de blindage
Analyse de la surtension de commutation:[ Opérations d'énergie, de désenergisation et de compensation des défauts
Analyse temporaire de la surtension :[ Défauts au sol, rejet de charge et conditions de résonance
Exercice d'arrêt: Vérification que les pare-chocs peuvent gérer l'absorption d'énergie attendue
Vérification de la marge de protection:[ Confirmation de la marge adéquate à tous les emplacements du matériel

Étude de sous-station haute tension : Les études typiques comprennent l'analyse d'un sous-station pour déterminer la probabilité de flashovers post-isolants. Ceci est généralement mesuré en flashovers par cent ans. Une autre analyse importante est de déterminer que l'isolation contenue dans les transformateurs a une marge de protection acceptable. Comme l'isolation interne n'est pas auto-restaurant une défaillance est totalement inacceptable.

Étape 8 : Documentation et vérification

La dernière étape consiste à établir une documentation complète de toutes les décisions de coordination et à effectuer des essais, le cas échéant.

Paramètres et hypothèses du système
Calculs de la surtension et résultats de simulation
Spécifications de l'équipement et cotes BIL
Sélections d'arrêts et marges protectrices
Calculs d'apurement et plans de présentation
Exigences d'essai et critères d'acceptation

Les essais diélectriques permettent de vérifier la capacité du système et de l'isolation de l'équipement à résister à diverses formes de surtensions. Les essais d'acceptation en usine et les essais de mise en service sur place doivent vérifier que l'équipement installé satisfait aux niveaux d'isolation spécifiés et que les dispositifs de protection fonctionnent comme prévu.

Considérations particulières pour différents types de sous-stations

Différents types de sous-stations présentent des défis uniques pour la coordination de l'isolation. L'approche doit être adaptée aux caractéristiques et aux contraintes spécifiques de chaque type de sous-station.

Sous-stations à air isolé (AIS)

Les études de coordination de la surtension et de l'isolation sont très importantes pour la conception économique du niveau d'isolation des équipements dans les sous-stations isolées d'air HV (AIS), les sous-stations à gaz (SIG) et les systèmes de transmission.

Les principales considérations à prendre en compte pour l'EIA sont les suivantes :

Grandes clairance physique nécessaires pour les niveaux de tension élevés
Effets environnementaux sur l'isolation (pollution, humidité, altitude)
Efficacité de la protection contre la foudre et risque de rétro-éclair
Effets de l'espacement du conducteur et de la configuration sur les surtensions de commutation
Sélection d'isolants en fonction de la gravité de la pollution

Les caractéristiques du système d'isolation externe auto-remboursant sont testées et vérifiées en conditions sèches. La longueur directe réelle entre les bornes d'isolation est le facteur le plus important pour déterminer ces caractéristiques d'impulsion rapide. La nature auto-remboursante de l'isolation d'air permet des méthodes de coordination statistique qui acceptent des flashovers occasionnels sur l'isolation externe.

Sous-stations à gaz (SIG)

Les sous-stations à gaz utilisent l'hexafluorure de soufre (SF6) comme milieu isolant, ce qui permet des conceptions beaucoup plus compactes que l'AIS.

Le VFTO peut menacer la sécurité d'un SIG et de son équipement adjacent, en particulier l'isolation interturbatrice du transformateur, et peut aussi provoquer une oscillation à haute fréquence dans le transformateur. L'accident d'un VFTO endommageant un grand transformateur s'est produit dans le système chinois de 500 kV. Ceci démontre l'importance critique d'une analyse VFTO appropriée dans la conception du SIG.

L'expérience montre que les surtensions à très haut niveau de la route n'ont aucune influence sur la sélection des tensions nominales de résistance jusqu'à des tensions de 800 kV. Il faut faire preuve de prudence pour les transitoires très rapides dans les systèmes SIG des systèmes UHV. En raison du rapport décroissant de l'impulsion de foudre à la tension du système, VFFO peut devenir la contrainte diélectrique limitante définissant les dimensions des systèmes SIG.

La coordination de l'isolation SIG doit porter sur:

Production de VFTO pendant les opérations de déconnexion
Protection des transformateurs connectés de VFTO
Conception d'isolation interne pour les variations de pression et de température de gaz SF6
Effets de la contamination des particules sur la résistance à l'isolation
Interface avec les équipements à air isolé (bushings, terminaisons de câbles)

Sous-stations hybrides

De nombreuses sous-stations modernes combinent des sections isolées par l'air et par le gaz, créant ainsi des configurations hybrides. Ces conceptions nécessitent une coordination minutieuse à l'interface entre les deux technologies pour s'assurer que les surtensions sont correctement contrôlées au moment de la transition entre différents milieux isolants.

La coordination des sous-stations hybrides doit tenir compte:

discontinuités d'impédance aux interfaces AIS-GIS
Placement d'un dispositif d'arrêt pour protéger les deux sections
Transmission de la VFTO du SIG dans les sections AIS
Intégration du système de mise à la terre entre les sections
Différentes caractéristiques d'isolation de chaque section

Sujets avancés en coordination de l'isolation

Coordination des lignes de transport

La coordination de l'isolation de la ligne de transmission est également divisée en deux catégories : la foudre et la commutation. Les méthodes d'évaluation de la performance sont basées sur la foudre attendue et les surtensions de commutation et leurs niveaux d'isolation correspondants.

La somme du taux de flashover (BFR) et du taux de défaillance de blindage (SFR) déterminent le taux de flashover (FOR), exprimé en flashovers/100km/an. Le taux de flashover est la cause la plus importante de pannes sur les lignes de transmission. Bien que la surtension de l'essor rapide associée à un rétroéclair le rend rarement à la sous-station en raison des effets de corona, le courant de faille et le fonctionnement du disjoncteur en résultant se ressentent sur toute la longueur du système.

Si la tension produite par une frappe sur les conducteurs de phase dépasse la ligne CFO (tension critique de flashover), il y a flashover. La conception et la mise à la terre du fil de bouclier sont essentielles pour minimiser les défaillances de blindage.

Le taux de flashover arrière est le nombre de frappes éclair qui se terminent sur les tours ou les fils de bouclier et entraînent un flashover isolant L'impulsion du courant augmente la tension de la tour, à son tour cela génère une tension à travers l'isolation de la ligne. Si la tension à travers les isolateurs de la ligne dépasse la résistance d'isolation, un flashover arrière peut être attendu de la tour sur le conducteur de phase.

Systèmes à ultra haute tension (UHV)

Les systèmes à ultra-haute tension (habituellement 800 kV et plus) présentent des défis uniques pour la coordination de l'isolation. La surtension est le facteur déterminant dans la conception des lignes de transmission UHV. Par rapport à une ligne de 500 kV, une ligne de transmission UHV a une plus grande capacité répartie et une impédance d'onde plus petite ainsi qu'un rapport relativement plus faible de capacité de court-circuit du système à la puissance naturelle de la ligne (c.-à-d., la capacité du système est relativement petite alors que l'impédance du système est relativement grande).

Pour les systèmes UHV, les surtensions de commutation deviennent souvent le facteur dominant pour déterminer les niveaux d'isolation plutôt que les surtensions de foudre. Cela nécessite un recours étendu à des mesures de contrôle des surtensions de commutation telles que les résistances de pré-insertion dans les disjoncteurs, les systèmes de commutation contrôlés et les pare-stop placés stratégiquement.

Conception du système de mise à l'eau

Le système de mise à la terre des sous-stations joue un rôle crucial dans la coordination de l'isolation en fournissant un chemin de faible impossibilité pour les courants de surtension et en établissant un potentiel de référence pour l'ensemble de l'installation.

Réduit l'augmentation potentielle du sol pendant les conditions de panne et de surtension
Assurer le fonctionnement efficace des dispositifs d'arrêt par surtension
Minimise les possibilités d'étape et de toucher pour la sécurité du personnel
Fournit une référence stable pour les systèmes de contrôle et de protection
Réduit les interférences électromagnétiques

L'impédance du système de mise à la terre à haute fréquence (pertinente pour les surtensions éclair) peut être significativement différente de la résistance de la puissance de la fréquence.

Facteurs environnementaux

Les conditions environnementales ont une incidence significative sur les performances de l'isolation et doivent être soigneusement prises en compte dans les études de coordination. L'altitude affecte la densité de l'air et donc la résistance diélectrique de l'isolation atmosphérique.

Les variations de température et d'humidité affectent à la fois la production de surtensions (par des changements dans le chargement et les modes de commutation du système) et la capacité de résistance de l'isolation.

Les changements climatiques prennent de plus en plus d'importance, car les changements climatiques peuvent avoir des répercussions sur l'activité de la foudre, le transport de la pollution et les phénomènes météorologiques extrêmes qui influent sur les performances de l'isolation.

Défis et solutions communs

Marges protectrices insuffisantes

L'un des problèmes les plus courants en matière de coordination de l'isolation est l'insuffisance de la marge de protection entre les tensions de décharge des pare-chocs et l'équipement BIL.

Distance de séparation excessive entre les pare-stop et les équipements protégés
Évaluations inadéquates des surtensions attendues par les interpelleurs
Défaut de comptabiliser toutes les sources de surtension
Changements de configuration du système après conception initiale

Les nouveaux projets à haute tension produisent des influences importantes par surtension si les disjoncteurs fonctionnent en état de défaillance. La coordination de l'isolation selon les normes CEI 60071 n'est pas suffisante et il faudrait plus de dispositifs d'arrêt de surtension, ce qui souligne l'importance d'une analyse complète et la nécessité potentielle de dispositifs de protection supplémentaires au-delà des exigences minimales.

Les solutions sont les suivantes :

Installation d'arrêts supplémentaires plus près de l'équipement essentiel
Mise à niveau vers les pare-chocs avec des tensions de décharge plus faibles
Augmentation des notations BIL des équipements lorsque cela se justifie économiquement
Mise en œuvre de commutation contrôlée pour réduire l'amplitude des surtensions de commutation

Durée temporaire de surtension

Les surtensions temporaires peuvent persister pendant de longues périodes, dépassant potentiellement la capacité des pare-chocs ou de l'isolation des équipements de contrainte. La durée de la VT dépend des systèmes de protection du système et du temps nécessaire pour éliminer les défauts ou rétablir des conditions normales de fonctionnement.

Les stratégies d'atténuation comprennent :

Défauts rapides grâce aux systèmes de protection à grande vitesse
Résistances ou réacteurs neutres à la mise à la terre pour limiter la magnitude TOV
Arresteurs dotés d ' une capacité temporaire accrue de surtension
Procédures d'exploitation du système pour réduire au minimum l'exposition aux VT
Systèmes automatiques de déclassement ou de rejet de la génération

Coordination des interfaces système

Les interfaces entre systèmes à différents niveaux de tension ou philosophies de coordination de l'isolation peuvent créer des défis de coordination. Les transformateurs, en particulier, doivent être protégés en tenant compte des surtensions qui peuvent apparaître à la fois sur les côtés haute tension et basse tension.

Une coordination efficace aux interfaces nécessite :

Arresteurs des deux côtés des transformateurs avec des cotes appropriées
Prise en considération des surtensions transférées par la capacité du transformateur
Coordination entre la protection des réseaux de transport et de distribution
Analyse des conditions de résonance qui peuvent amplifier les surtensions

Infrastructure vieillissante

À mesure que les sous-stations vieillissent, la résistance à l'isolation peut se dégrader en raison de l'exposition à l'environnement, de la contrainte électrique et de l'usure mécanique.

La gestion des infrastructures vieillissantes exige :

Essais d'isolation et évaluation régulière de l'état
Surveillance de l'état de l'arrêt et remplacement en cas de dégradation
Nettoyage des isolants dans les environnements pollués
Moderniser les systèmes de protection à mesure que la technologie s'améliore
Réévaluation de la coordination en cas de remplacement ou de modification d'un équipement

Méthodes d'essai et de vérification

Des essais complets sont essentiels pour vérifier que les objectifs de la conception de la coordination de l'isolation sont atteints.

Essais d'acceptation en usine

Les fabricants d'équipement effectuent des essais normalisés pour vérifier que les produits répondent à des niveaux d'isolation spécifiés.

Essais d'impulsion d'éclairage:[ Application des formes d'onde standard de 1,2/50 μs au niveau du BIL
Essais d'impulsions de commutation: Application de 250/2500 μs de formes d'onde au niveau de BSL (pour les équipements à haute tension)
Essais de résistance à la puissance de la fréquence: Application de la tension de 50/60 Hz pour une durée spécifiée
Essais de décharge partielle:[ Vérification que la corona et la décharge partielle sont dans des limites acceptables

Les procédures d'essai et les critères d'acceptation sont définis dans des normes spécifiques à l'équipement qui complètent les normes générales de coordination de l'isolation.

Essais de mise en service sur site

Après l'installation, les essais de mise en service vérifient l'intégrité de l'installation complète, y compris les connexions, les dégagements et le fonctionnement du dispositif de protection.

La fréquence de puissance résiste aux essais à des niveaux réduits
Mesure de la résistance à l'isolation
Détection des décharges partielles
Vérification de la tension de référence du pare-sèche-glace
Mesures de résistance du système de mise à la terre
Vérification de l'autorisation par mesure physique

Surveillance en service

Les sous-stations modernes intègrent de plus en plus des systèmes de surveillance qui suivent l'état d'isolation et les événements de surtension pendant le fonctionnement.

Vérification que les surtensions réelles correspondent aux hypothèses de conception
Détection précoce de la dégradation de l'isolation
Dénombrement des opérations d ' arrestation et suivi de l ' absorption d ' énergie
Évolution des rejets partiels dans les équipements critiques
Détection et caractérisation des frappes éclair

Pour évaluer de façon exhaustive le niveau d'isolation et d'isolation des équipements conçu comme un guide pour l'avenir, il est essentiel de mesurer et d'étudier la surtension réelle. Jusqu'à présent, peu d'études ont été réalisées sur les formes d'onde réelles mesurées dans les sous-stations.

Considérations économiques

La coordination de l'isolation implique un équilibre entre les exigences techniques et les contraintes économiques. Les coûts d'isolation sont très élevés, de sorte que l'isolation du système et de l'équipement pour résister à toute tension qui apparaîtrait jamais n'est pas économiquement viable. Il est également peu pratique d'isoler pour la tension à l'état stationnaire et d'accepter toutes les pannes provenant de surtensions.

Analyse des coûts du cycle de vie

Une coordination efficace de l'isolation nécessite une analyse des coûts du cycle de vie qui tient compte des éléments suivants :

Coûts d'immobilisations initiaux:[Équipements, arréreurs, structures et terrains pour les débrayages
Coûts d'exploitation:[ Entretien, essais et surveillance
Coûts d'échec:[ Remplacement de l'équipement, coûts de panne et dommages consécutifs
Valeur de fiabilité:[ Coûts d'interruption du client et exigences de fiabilité du système

Des niveaux d'isolation plus élevés et une protection plus complète augmentent les coûts initiaux mais réduisent la probabilité et les conséquences des défaillances. La conception optimale minimise les coûts totaux du cycle de vie tout en satisfaisant aux exigences de fiabilité.

Approches axées sur les risques

Il n'existe pas de normes exigeant l'achèvement d'études, qui sont des mesures de réduction des risques et qui ne sont pas prescrites par les normes, mais qui sont plutôt l'option du propriétaire dans le cadre de la gestion des risques, ce qui permet aux services publics d'adapter leur approche de coordination de l'isolation en fonction de la tolérance aux risques et des contraintes économiques spécifiques.

La coordination axée sur les risques tient compte des éléments suivants :

Probabilité de différents événements de surtension
Conséquences de la défaillance de l'isolation à différents endroits
Criticité des différentes sous-stations par rapport au fonctionnement du système
Disponibilité et coût des équipements ou circuits redondants
Exigences réglementaires et normes de rendement

Les sous-stations critiques desservant de grands centres de charge ou fournissant des interconnexions de transmission clés peuvent justifier des niveaux de protection plus élevés que les installations moins critiques.

Tendances futures et technologies émergentes

Outils de simulation avancés

Les outils de simulation électromagnétique transitoire continuent d'évoluer, offrant une précision et une capacité améliorées.

Paramètres de la ligne de transmission dépendant de la fréquence
Caractéristiques détaillées du dispositif d'arrêt, y compris les effets thermiques
Effets de la corona sur les vagues itinérantes
Comportement complexe du système de mise à la terre
Analyse statistique des opérations de commutation

Ces capacités permettent de prédire plus précisément les surtensions et d'optimiser les systèmes de protection.

Intégration de la grille intelligente

Les technologies de réseau intelligent modifient le fonctionnement des sous-stations et introduisent de nouvelles considérations en matière de coordination de l'isolation:

Fréquence de commutation accrue grâce à l'intégration des énergies renouvelables
Flux de puissance bidirectionnels créant de nouveaux scénarios de surtension
Convertisseurs électroniques de puissance introduisant des composants harmoniques et à haute fréquence
Surveillance en temps réel permettant des stratégies de protection adaptative
Ressources énergétiques distribuées affectant la mise à la terre et le comportement des systèmes

Ces changements peuvent nécessiter une réévaluation des approches traditionnelles de coordination de l'isolation et l'élaboration de nouvelles stratégies de protection.

Matériaux avancés

Les nouveaux matériaux et technologies d'isolation offrent des améliorations potentielles en termes de performance et de coûts :

Isolateurs composites avec amélioration des performances de pollution
Préparations avancées pour oxydes métalliques pour dispositifs de protection contre les surtensions
Isolation sous vide et solide pour équipements compacts
Systèmes d'isolation auto-guérison
Diélectrique amélioré par la nanotechnologie

Ces matériaux peuvent permettre des conceptions plus compactes, une fiabilité accrue ou des exigences d'entretien réduites.

Adaptation au climat

Le changement climatique affecte les conditions environnementales qui influent sur la coordination de l'isolation :

Changements dans les modes d'activité et l'intensité de la foudre
Plus d'événements météorologiques extrêmes affectant la pollution et la contamination
Température extrêmes impactant les cotes de l'équipement
Risque accru de feux de forêt dans certaines régions
Augmentation du niveau de la mer touchant les sous-stations côtières

Les futurs plans de coordination de l'isolation devront peut-être tenir compte de ces conditions changeantes et intégrer une plus grande résilience aux événements extrêmes.

Meilleures pratiques et recommandations

Sur la base de l'expérience et des normes de l'industrie, plusieurs pratiques exemplaires devraient être suivies pour la coordination de l'isolation :

Phase de conception

Effectuer des études exhaustives de surtension au début du processus de conception
Utiliser des valeurs BIL normalisées pour assurer la disponibilité et l'interopérabilité de l'équipement
Fournir des marges de protection adéquates tenant compte des incertitudes et du vieillissement
Considérer à la fois les méthodes déterministes et statistiques selon qu'il convient
Documenter toutes les hypothèses et tous les calculs pour référence future
Coordonner avec les fabricants d'équipements les exigences spéciales
Plan pour l'expansion et les modifications futures du système

Sélection de l'équipement

Sélectionner des pare-chocs avec des cotes MCOV et de la tension de décharge appropriées
Spécifier les équipements avec des niveaux d'isolation cohérents dans toute la sous-station
Considérer les conditions environnementales dans le choix de l'isolant et de l'arrêt
Vérifier que tout l'équipement satisfait aux normes applicables
Assurer la compatibilité entre les différents équipements des fabricants
Préciser les exigences en matière de tests appropriées dans les documents d'achat

Installation et mise en service

Vérifier les autorisations de conformité aux spécifications de conception
Assurer une mise à la terre adéquate de tous les équipements et structures
Tensions de référence et résistance à l'isolation du dispositif d'essai
Vérifier la coordination des réglages de relais de protection avec les niveaux d'isolation
Documenter les conditions de référence futures
Formation du personnel d'exploitation et d'entretien à la philosophie de protection

Fonctionnement et entretien

Mettre en oeuvre des programmes d'inspection et d'essai réguliers
Surveiller l'opération d'arrêt et le remplacer lorsque dégradé
Isolateurs propres dans des environnements pollués
Événements de surtension de la piste et défaillances de l'équipement
Réévaluer la coordination lors des modifications du système
Mettre à jour les études en fonction des changements de conditions du système
Tenir à jour la documentation de tous les changements et résultats des essais

Conclusion

La coordination de l'isolation est un aspect critique et complexe de la conception de la sous-station haute tension qui nécessite une analyse systématique, une planification minutieuse et une attention continue tout au long de la durée de vie de l'installation. Les études de coordination de l'isolation sont le processus pour déterminer la résistance d'isolation de l'équipement en relation avec la tension de fonctionnement et la surtension transitoire, ou il s'agit du processus pour vérifier que le niveau d'isolation choisi de l'équipement est suffisant pour le fonctionnement sûr sous surtension transitoire causée par le changement de direction et la foudre.

Pour réussir dans la coordination de l'isolation, il faut comprendre les différents types de surtensions qui peuvent se produire, les caractéristiques des différents matériaux et configurations d'isolation, les capacités et les limites des dispositifs de protection et les compromis économiques qui interviennent dans les différents choix de conception.

Le domaine continue d'évoluer avec les progrès des outils de simulation, des technologies de surveillance, des dispositifs de protection et des matériaux d'isolation. Le changement climatique, l'intégration des énergies renouvelables et les technologies de réseau intelligent posent de nouveaux défis qui exigent l'adaptation des approches traditionnelles.

Une bonne coordination de l'isolation protège les équipements précieux, assure la fiabilité des systèmes, améliore la sécurité du personnel et optimise les performances économiques des infrastructures électriques.

Ressources supplémentaires

Pour les ingénieurs qui cherchent à approfondir leurs connaissances en matière de coordination de l'isolation, de nombreuses ressources sont disponibles. La Commission électrotechnique internationale (CEI)[ et Institut des ingénieurs en électricité et en électronique (IEEE)[ publient les normes fondamentales et les guides d'application.

Les programmes universitaires en génie des systèmes d'alimentation électrique offrent une formation fondamentale, tandis que les cours de formation spécialisés abordent des aspects spécifiques de la coordination de l'isolation.Les ressources en ligne, y compris les articles techniques, les webinaires et les forums de discussion, offrent des informations accessibles sur les pratiques actuelles et les nouveaux enjeux.