Intelligent, compact et fiable : innovations dans la conception d'appareillages de commutation et de sous-stations

May 29, 2023

Les nouvelles conceptions d'appareillage de commutation émergentes se concentrent sur la numérisation des opérations et la réduction de l'empreinte des sous-stations. L'un des principaux défis auxquels sont confrontés les services publics de transport et de distribution dans l'expansion du réseau est les contraintes d'emprise. Pour résoudre ce problème, les services publics adoptent de plus en plus de nouvelles solutions technologiques. L'appareillage de commutation isolé au gaz (GIS) est de plus en plus adopté par les services publics car il nécessite beaucoup moins de terrain par rapport à l'appareillage de commutation isolé à l'air (AIS). Les sous-stations hybrides, qui combinent SIG et AIS, offrent également des solutions potentielles pour minimiser les besoins en espace. En dehors de cela, l'utilisation d'appareillages de commutation numériques compacts, flexibles et fiables, intelligents et intelligents gagne du terrain. Avec le soutien de l'Internet des objets (IoT), l'appareillage de commutation numérique permet le traitement des données qui peuvent être utilisées pour détecter à l'avance les erreurs et les dysfonctionnements, empêchant ainsi les pannes du système et minimisant les pertes d'énergie et les coûts.

SIG : Le GIS est essentiellement compact et encapsulé dans du métal, composé d'équipements haute tension (HT) tels que des disjoncteurs et des sectionneurs. Dans les sous-stations GIS, tous les composants, y compris les jeux de barres, les disjoncteurs, les transformateurs de courant et les transformateurs de potentiel et les autres équipements de la sous-station, sont placés à l'intérieur de modules remplis d'hexafluorure de soufre gazeux SF6. Traditionnellement, GIS utilise le SF6 comme moyen d'isolation.

Le déploiement de sous-stations GIS gagne en importance dans les segments de transmission et de distribution d'électricité en Inde afin de répondre efficacement aux contraintes d'espace. Les sous-stations GIS nécessitent environ 35 % moins d'espace que les sous-stations AIS, ce qui réduit les coûts de maintenance et la fréquence des pannes. Bien que le coût initial des sous-stations GIS soit supérieur d'environ 50 % à celui de leurs homologues AIS, les coûts d'investissement globaux sont comparables.

Le SIG est une alternative intéressante pour les zones densément peuplées, avec une grande fiabilité, des besoins de maintenance réduits et un impact environnemental moindre. Les sous-stations SIG peuvent être déployées à l'intérieur ou à l'extérieur. Ils sont fiables pour le service moyenne et basse tension et sont particulièrement utiles pour les sites industriels, les hôpitaux et les sociétés de logement où l'espace est limité. De plus, en raison de la petite taille des sous-stations SIG, elles sont bien adaptées aux zones écologiquement sensibles car elles minimisent l'empreinte environnementale. Cependant, l'une des préoccupations liées au déploiement croissant du GIS est l'utilisation intensive du SF6 comme moyen d'isolation et d'extinction d'arc. Le SF6 a été classé comme gaz à effet de serre et est très puissant en termes de réchauffement climatique.

Appareillage à isolation solide : Dans les appareillages à isolation solide (SIS), le circuit MT principal est généralement encapsulé dans des matériaux isolants (tels que la résine époxy). Fondamentalement, il n'y a pas de différence dans le comportement du SIS et de l'AIS. Il n'y a pas non plus de pièces sous tension visibles le long du circuit principal. Cependant, le problème de la variation du champ électrique se pose dans des conditions environnementales difficiles. Le SIS blindé (2 SIS) est une technologie plus avancée avec trois couches concentriques : une partie sous tension (conducteur principal, insert et ampoule à vide, connectée en permanence au réseau et soumise aux variations de tension), une couche isolante qui assure l'isolation dans toutes les conditions de fonctionnement, et une couche conductrice qui assure la continuité électrique et une mise à la terre efficace. La technologie 2SIS offre divers avantages tels que l'absence de vieillissement de l'infrastructure, l'absence de défauts triphasés ou biphasés et l'absence d'effets d'arc interne.

Appareillage hybride : Les services publics adoptent de plus en plus l'appareillage hybride, qui combine les composants des technologies AIS et SF6 GIS. La conception compacte et modulaire est particulièrement utile pour les sous-stations qui nécessitent une rénovation et une extension et qui utilisent actuellement un appareillage AIS. L'appareillage de commutation hybride est particulièrement avantageux dans les zones où les terrains sont chers ou limités. Dans une sous-station hybride, les jeux de barres sont isolés dans l'air et tous les autres équipements, tels que les disjoncteurs, les traversées, les conduites de bus, les éléments de connexion, les sectionneurs, les transformateurs de courant et les capteurs, sont isolés au gaz. Les sous-stations hybrides se caractérisent par une conception modulaire compacte, qui combine une variété de fonctions dans un seul module. Le coût initial des sous-stations hybrides est d'environ 20 % plus élevé que celui des AIS, et ces sous-stations nécessitent une quantité de terrain modérée.

Appareillage sous vide : L'appareillage sous vide gagne rapidement en popularité. La technologie d'interruption sous vide fonctionne efficacement dans les applications moyenne tension. Il est plus sûr et plus fiable là où les niveaux de pannes et de fonctionnement sont élevés. L'appareillage de commutation sous vide est pratiquement sans entretien. Il nécessite moins d'énergie d'entraînement dans les disjoncteurs et a une durée de vie mécanique plus longue. Pour un intervalle de contact donné, le vide fournit environ huit fois plus de rigidité diélectrique que l'air et quatre fois plus de rigidité diélectrique que le gaz SF6 à un bar. La rigidité diélectrique des disjoncteurs à vide permet de maintenir un très petit intervalle de contact. Ce petit espace de contact permet une extinction sûre de l'arc, en raison de la rigidité diélectrique élevée du vide et de sa récupération rapide à la valeur diélectrique complète après l'interruption de l'arc au zéro de courant. Cela rend l'appareillage sous vide parfaitement adapté à la commutation de condensateurs.

Appareillage éco-efficace : L'appareillage de commutation et les sous-stations conventionnels utilisent du gaz SF6 ou une combinaison de carburants et d'huiles dans les mécanismes hydrauliques. L'utilisation de SF6 comme matériau isolant présente cependant un risque pour l'environnement. Le SF6 est un gaz à effet de serre avec une durée de vie atmosphérique de 3 200 ans et un potentiel de réchauffement climatique supérieur à celui du CO2 de 23 500 fois, ce qui cause de puissants dommages à l'environnement. En moyenne, un appareillage de commutation typique contient 1 kg de SF6, ce qui rend crucial d'éliminer en toute sécurité l'appareillage de commutation SF6 pour éviter le rejet de gaz dans l'atmosphère car ses sous-produits toxiques ont un impact négatif sur la santé humaine.

En raison des effets environnementaux néfastes du SF6, qui est couramment utilisé comme matériau isolant dans les SIG, les services publics et les fournisseurs de technologies recherchent activement des alternatives respectueuses de l'environnement. L'appareillage de commutation sans SF6 de la nouvelle ère a suscité une attention considérable dans le cadre de nos efforts collectifs pour atteindre les objectifs climatiques. Le mélange alternatif de gaz fluorocétone C5/air combine de bonnes caractéristiques électriques tout en réduisant le potentiel de réchauffement climatique de près de 100 % par rapport au SF6. Les bonnes propriétés diélectriques du C5-FK le rendent approprié comme matériau d'isolation dans les appareillages de commutation.

Appareillage numérique et intelligent : Les équipements de transmission et de distribution plus intelligents, y compris les commutateurs numériques, sont en forte demande. L'appareillage intelligent assure la stabilité du réseau, protège les équipements et reste insensible aux fluctuations de charge du réseau. L'utilisation d'appareillages de commutation intelligents équipés d'une communication bidirectionnelle en temps réel gagne du terrain. L'appareillage de commutation intelligent est capable de mesurer divers paramètres et de transmettre les lectures aux services publics d'énergie et aux centres de gestion en temps réel. La surveillance et la configuration des systèmes peuvent être effectuées à partir d'un centre de contrôle à distance. Les systèmes peuvent détecter rapidement les étincelles électriques et d'autres anomalies peuvent empêcher les courts-circuits, les surcharges, les défaillances de composants, etc. L'appareillage de commutation intelligent peut également prédire la demande d'électricité mensuelle dans un réseau de charge. L'appareillage intelligent est facile à entretenir. Il aide à la gestion intelligente de l'énergie et à la réduction des factures d'électricité. L'appareillage peut être préconfiguré et préprogrammé à l'aide de l'IoT.

Appareillage à ultra haute tension (UHV) : La demande d'une puissance de transmission accrue et de pertes de transmission réduites par ligne conduit à l'adoption de niveaux UHV, qui impliquent des tensions nominales de 800 kV, 1 100 kV et 1 200 kV. L'utilisation d'enveloppes métalliques et d'une isolation au gaz SF6 permet le développement d'appareillages HT plus compacts. La Power Grid Corporation of India a mis en place une station de test de 1 200 kV à Bina pour permettre aux fabricants d'installer et de tester leurs équipements UHV. En règle générale, les réseaux AC UHV nécessitent un appareillage de commutation capable de gérer la demande de commutation pour les opérations normales et de fournir une protection en cas de court-circuit.

Net, net, les nouvelles conceptions d'appareillage de commutation répondent aux besoins des services publics pour minimiser les exigences de l'emprise et promouvoir des opérations durables. Ces avancées faciliteront l'expansion rapide du réseau de transport et de distribution du pays et accompagneront les transitions énergétiques. Dans l'ensemble, la modernisation des infrastructures obsolètes et la numérisation des opérations des sous-stations et des appareillages contribueront grandement à assurer un approvisionnement électrique fiable dans le pays, tout en minimisant les coûts d'exploitation et de maintenance ainsi que les pannes.