Schéma d'optimisation de la conception de l'interrupteur de sectionnement pour l'armoire de jonction à isolation à air 12kV afin de réduire la probabilité de décharge électrique

Avec le développement rapide de l'industrie électrique, la conception écologique à faible teneur en carbone, économe en énergie et respectueuse de l'environnement s'est profondément intégrée dans la conception et la fabrication des produits électriques de distribution. L'unité de jonction circulaire (RMU) est un dispositif électrique clé dans les réseaux de distribution. La sécurité, la protection de l'environnement, la fiabilité opérationnelle, l'efficacité énergétique et l'économie sont des tendances inévitables de son développement. Les RMU traditionnels sont principalement représentés par les RMU isolés au gaz SF6. En raison de l'excellente capacité d'extinction d'arc et de la haute performance d'isolation du SF6, ils ont été largement utilisés. Cependant, le SF6 cause l'effet de serre. Avec la pression réglementaire croissante sur les gaz à effet de serre, le développement de RMU isolés au gaz respectueux de l'environnement comme alternative au SF6 est devenu une tendance impérative.

Actuellement, les RMU isolés au gaz respectueux de l'environnement comprennent les RMU isolés au nitrogène et les RMU isolés à l'air sec. La littérature a introduit ces options. Comparativement à la capacité d'isolation du SF6, celle du nitrogène et de l'air sec n'est que d'environ un tiers. Par conséquent, il est particulièrement crucial de garantir que la performance globale d'isolation du RMU et de ses interrupteurs internes ne soit pas compromise en raison de la réduction de la performance d'isolation du milieu, tout en maintenant l'espace de l'armoire existant. Cela se reflète principalement dans la conception de la structure électrique interne et de la structure d'isolation. Une conception électrique et d'isolation raisonnable peut compenser le défaut de la performance du milieu d'isolation.

Ce document se concentre sur un espace d'isolement à l'intérieur d'un certain RMU isolé à l'air de 12 kV. Il analyse la distribution du champ électrique à proximité et son uniformité, évalue la performance d'isolation à cet endroit et effectue une optimisation structurelle pour réduire la probabilité de décharge et améliorer la performance d'isolation. L'étude vise à fournir une référence pour la conception d'isolation de produits similaires.

​1 Structure du RMU isolé à l'air​

Le modèle structuré 3D du RMU isolé à l'air étudié dans ce document est montré à la Figure 1. La structure du circuit principal du RMU adopte un schéma combinant un interrupteur à vide et un interrupteur à trois positions. La disposition utilise un schéma où l'interrupteur à trois positions est situé du côté de la barre de collecteur, c'est-à-dire que l'interrupteur à trois positions est disposé sur le côté supérieur du RMU, tandis que l'interrupteur à vide est disposé sur le côté inférieur via un poteau isolé solide.

Comme l'interrupteur à vide est encapsulé dans le poteau, son extérieur est isolé par de la résine époxy. La capacité d'isolation de la résine époxy est bien supérieure à celle de l'air, répondant ainsi aux exigences d'isolation. De plus, la barre de collecteur de connexion à l'extrémité scellée du poteau isolé solide comprend des coins arrondis, des conceptions courbes et un joint en caoutchouc de silicone, résolvant les problèmes de décharge partielle à cet endroit. Les espaces d'isolation entre les barres de collecteur et le sol sont conçus selon les exigences d'isolation pertinentes et sont conformes aux réglementations.

La lame d'isolement de l'interrupteur à trois positions repose entièrement sur le milieu d'air pour l'isolation. En tant que composant de connexion mobile, sa conception structurelle intègre des pièces métalliques telles que des broches, des ressorts, des ressorts à disque et des bagues de retenue pour augmenter la pression de contact entre les contacts d'isolement. Cependant, en raison des formes spéciales de ces pièces métalliques, elles peuvent provoquer une distribution très non uniforme du champ électrique, déclenchant une décharge partielle. Cela pose un risque de décharge de rupture, affectant négativement la performance d'isolation à cet endroit. Par conséquent, la conception de la structure électrique ici est particulièrement importante.

Selon les exigences de conception du produit, l'espace d'isolement doit résister à une tension de tenue sinusoïdale à court terme nominale de 50 kV. L'espace électrique minimum pour l'espace d'isolement est conçu à 100 mm. Compte tenu de la complexité de la structure de la lame d'isolement, des écrans de gradation ont été ajoutés de chaque côté de la lame d'isolement pour améliorer l'uniformité du champ électrique et réduire la survenue de décharges partielles. Le modèle 3D de l'interrupteur à trois positions est montré à la Figure 2. En conséquence, ce document effectue une analyse de simulation du champ électrique sur l'espace d'isolement.

Un logiciel d'éléments finis a été utilisé pour simuler le champ électrique du RMU, analysant la distribution de l'intensité du champ électrique à travers l'espace d'isolement sous la tension de tenue sinusoïdale à court terme nominale de 50 kV donnée. Deux scénarios de simulation du champ électrostatique ont été définis :

• ​Scénario 1:​​ Côté barre de collecteur (côté avec le siège de contact statique d'isolement) connecté à un potentiel bas (0 V), côté ligne (côté avec la tête de la lame d'isolement) connecté à un potentiel élevé (50 kV).
• ​Scénario 2:​​ Côté barre de collecteur (côté avec le siège de contact statique d'isolement) connecté à un potentiel élevé (50 kV), côté ligne (côté avec la tête de la lame d'isolement) connecté à un potentiel bas (0 V).

Les distributions du champ électrique à l'emplacement de l'intensité maximale du champ électrique à l'intérieur de l'espace d'isolement pour les deux scénarios ont été obtenues par simulation. La distribution de l'intensité du champ électrique à la tête de la lame d'isolement pour le Scénario 1 est montrée à la Figure 3, et celle au siège de contact statique d'isolement pour le Scénario 2 est montrée à la Figure 4. L'intensité maximale du champ électrique dans le Scénario 1 se situe à l'extrémité de l'écran de gradation, mesurant 7,07 kV/mm. Le maximum dans le Scénario 2 se situe à la chanfreinure du siège de contact statique d'isolement, mesurant 4,90 kV/mm.

L'intensité critique de champ électrique de rupture de l'air dans des conditions standard est généralement de 3 kV/mm. Les Figures 3 et 4 montrent que, bien que des zones localisées à l'intérieur de l'espace d'isolement dépassent 3 kV/mm, l'intensité du champ dans d'autres zones reste en dessous de ce seuil, rendant la décharge de rupture improbable. Cependant, une décharge partielle se produira dans les positions localisées où l'intensité du champ dépasse 3 kV/mm.

Lorsque l'air passe de sec à humide, sa capacité d'isolation diminue. L'intensité critique de champ électrique de rupture sous des conditions de champ uniforme tombe en dessous de 3 kV/mm. De plus, une distribution extrêmement non uniforme du champ électrique réduit également l'intensité critique de champ électrique de rupture de l'air. Ces deux facteurs augmentent la possibilité et le risque de rupture. Pour atténuer l'impact des conditions environnementales externes sur le milieu d'isolation d'air et améliorer le coefficient d'uniformité du champ électrique, ce document vise à déterminer le degré d'uniformité du champ électrique à travers l'espace d'isolement et la valeur de tension de tenue de l'espace. Cela sert de base pour améliorer la capacité d'isolation de l'espace d'isolement.

​3 Caractéristiques d'isolation de l'air​

​3.1 Détermination du coefficient de non-uniformité du champ électrique​

Des champs électriques parfaitement uniformes n'existent pas en pratique ; tous les champs électriques sont non uniformes. Sur la base du coefficient de non-uniformité f, les champs électriques sont classés en deux types : des champs légèrement non uniformes lorsque f ≤ 4 ; et des champs extrêmement non uniformes lorsque f > 4. Le coefficient de non-uniformité du champ électrique f est déterminé par f = E_max / E_avg, où E_max est l'intensité maximale locale du champ électrique, obtenable à partir des résultats de simulation, et E_avg est l'intensité moyenne du champ électrique, calculée comme la tension appliquée divisée par l'espace électrique minimum.

À partir de la Figure 3, E_max = 7,07 kV/mm et E_avg = 0,5 kV/mm (50 kV / 100 mm). Par conséquent, le coefficient de non-uniformité pour l'espace d'isolement f = 14,14 > 4, le classant comme un champ extrêmement non uniforme. Des phénomènes de décharge partielle stables peuvent se former près des champs extrêmement non uniformes. Plus le degré de non-uniformité est important, plus la décharge partielle est prononcée, et plus la magnitude de la décharge est grande. Pour un RMU de 12 kV, l'exigence est que la décharge partielle totale de l'ensemble de l'armoire soit inférieure à 20 pC. Réduire le coefficient de non-uniformité f est bénéfique pour diminuer la magnitude de la décharge partielle.

​3.2 Détermination de la tension de tenue de l'air​

Le coefficient de non-uniformité affecte la tension de tenue de l'air sec. Lorsque le champ est légèrement non uniforme, la tension de tenue est :
​Formule (1)​​

Où :

• U est la tension de tenue.
• d est l'espace électrique minimum entre les électrodes.
• k est un facteur de fiabilité, généralement compris entre 1,2 et 1,5 en fonction de l'expérience.
• E₀ est l'intensité de champ électrique de rupture du gaz. En pratique, cette valeur est liée à la structure des électrodes. L'intensité de champ électrique de rupture de l'air varie en fonction de différentes structures d'électrodes et d'espaces. Pour l'analyse comparative dans ce document, E₀ = 3 kV/mm est fixé de manière provisoire.

À partir de la Formule (1), augmenter l'espace électrique minimum d ou réduire le coefficient de non-uniformité f peut améliorer la tension de tenue de l'air. Lorsque le champ est extrêmement non uniforme, pour des électrodes avec un espace minimum d d'environ 100 mm, la tension de tenue est déterminée par :
​Formule (2)​​

Où U_50%(d) est la tension de rupture à 50 % d'impulsion de foudre pour l'électrode avec un espace électrique d. Dans des champs extrêmement non uniformes, la tension de rupture présente une dispersion significative et un long délai de décharge, la rendant très instable.

En pratique ingénierie, U_50%(d) est déterminé par de multiples tests d'impulsion de foudre : la tension appliquée à laquelle la rupture se produit avec une probabilité de 50 % est définie comme U_50%(d). Cette valeur dépend de la structure du produit et du degré d'uniformité du champ. Il a été établi qu'un coefficient de non-uniformité plus faible entraîne une dispersion plus faible de la tension de rupture, une tension de rupture plus élevée, et par conséquent, une tension de tenue plus élevée. Par conséquent, réduire le coefficient de non-uniformité f améliore la tension de tenue de l'espace d'isolement.

​4 Optimisation structurelle​

Pour améliorer l'uniformité du champ électrique autour de la tête de la lame d'isolement et réduire le coefficient de non-uniformité, la structure de l'écran de gradation a été optimisée.

Comparé à la conception originale, l'écran de gradation optimisé présente une extrémité épaissie avec une conception de coin arrondi. Le rayon de congé a été augmenté de 0,75 mm à 4 mm, augmentant le rayon de courbure dans cette zone, ce qui favorise une distribution de champ plus uniforme. La distribution de l'intensité du champ électrique à la tête de la lame d'isolement optimisée est montrée à la Figure 7. La figure montre que l'intensité maximale du champ électrique à cet emplacement est désormais de 3,66 kV/mm, environ la moitié de la valeur avant l'optimisation, indiquant une amélioration significative.

Sur la base de la formule f = E_max / E_avg, le coefficient de non-uniformité du champ électrique après optimisation est de 7,32. Comparé à l'état pré-optimisation, cette valeur est réduite à environ la moitié. L'uniformité du champ électrique près de la tête de la lame d'isolement a également considérablement amélioré, démontrant la pertinence de l'optimisation structurelle.

La structure optimisée de l'écran de gradation réduit effectivement le risque de décharge de rupture à travers l'espace d'isolement. Cependant, le champ électrique à travers l'espace reste extrêmement non uniforme, et sa tension de tenue est toujours déterminée par U_50%(d). L'ampleur de l'augmentation possible de la tension de tenue doit être déterminée par des essais de champ ultérieurs.

​5 Conclusion​

Par l'analyse du champ électrique de l'espace d'isolement dans un RMU isolé à l'air de 12 kV, ce document a abouti aux conclusions suivantes :

1. En raison de la capacité d'isolation inférieure de l'air par rapport au SF6, l'utilisation de l'air pour l'isolation dans l'interrupteur à trois positions à l'intérieur des RMU nécessite l'amélioration de la distribution du champ électrique pour augmenter la capacité d'isolation.
2. En raison de la complexité structurelle des parties mobiles (la lame d'isolement) dans l'interrupteur à trois positions des RMU isolés à l'air, la distribution de l'intensité du champ électrique à des positions localisées peut devenir très non uniforme. Pour réduire la non-uniformité, des écrans de gradation peuvent être ajoutés de chaque côté de la lame d'isolement pour protéger l'intensité du champ électrique près des extrémités des connecteurs de la lame, déplaçant l'intensité maximale locale du champ électrique vers les extrémités des écrans de gradation. Ce document a augmenté le rayon de courbure de l'extrémité de l'écran de gradation de 0,75 mm à 4 mm. Cela a réduit à la fois l'intensité maximale locale du champ électrique et le coefficient de non-uniformité à environ la moitié de leurs valeurs originales, atteignant l'effet souhaité.
3. Le degré d'uniformité du champ électrique, ou le coefficient de non-uniformité, a un impact significatif sur la décharge partielle et la décharge de rupture. Les champs extrêmement non uniformes conduisent facilement à une décharge partielle stable (décharge de corona). Pour les champs légèrement et extrêmement non uniformes, un coefficient de non-uniformité plus élevé correspond à une tension de tenue plus faible entre les deux électrodes.