À l'intérieur du laboratoire qui pousse les disjoncteurs Supergrid à la limite

Nov 28, 2023

The Guardian : KEMA Laboratories teste un disjoncteur dans des conditions extrêmes pour s'assurer qu'il ne tombera pas en panne lorsque cela compte vraiment.

Imaginez une journée brûlante dans le centre de la Chine, quand tous les climatiseurs de chaque mégapole tournent à plein régime. À travers les montagnes reculées de la province du Shanxi, les principales lignes de transmission qui acheminent l'électricité à très haute tension vers les villes fonctionnent presque à leur capacité maximale. Chauffées par le soleil et le courant qui circule, les lignes de transmission s'affaissent dangereusement près de la cime des arbres. Soudain, le courant saute de ligne en branche d'arbre, trouvant le chemin de moindre résistance et se déversant à travers l'arbre dans le sol. Il y a un flash lumineux alors que le courant ionise l'air.

Lors de ce court-circuit, le courant brusquement libéré atteint 10 à 20 fois son niveau normal en un clin d'œil. Désormais, le système de protection du réseau électrique doit agir rapidement. En quelques millisecondes, les relais de protection doivent reconnaître le défaut et ordonner aux disjoncteurs aux deux extrémités de la ligne de couper le courant, en isolant la ligne en défaut. Les enjeux sont importants : un courant de court-circuit soutenu peut déclencher une réaction en chaîne de pannes dans tout le réseau et provoquer des pannes généralisées, endommageant gravement des équipements coûteux dans le processus. La panne de courant de 2003 dans le nord-est de l'Amérique du Nord a été déclenchée par le contact d'un arbre avec des lignes de transmission dans l'Ohio, qui a provoqué une cascade de pannes qui a fermé plus de 260 centrales électriques, arrêté le flux de 60 000 mégawatts dans le réseau nord-est et assombri la ville de New York.

Dans notre hypothétique court-circuit chinois, tout repose sur l'action d'énormes disjoncteurs. Tout comme un disjoncteur domestique, ces disjoncteurs industriels ouvrent leurs contacts en une fraction de seconde, mais en raison de l'énorme quantité d'énergie dans le système, la simple séparation des contacts n'arrête pas le courant. Au lieu de cela, le courant crée un arc électrique à l'intérieur du disjoncteur. Ce petit espace, qui n'a qu'un volume de quelques litres, contient maintenant un plasma en ébullition qui peut atteindre des températures de plusieurs milliers de degrés Celsius. Le disjoncteur ne peut pas contenir ce plasma longtemps ; s'il n'est pas nettoyé rapidement, il y aura une terrible explosion.

Maintenant, la nature alternative du courant alternatif entre en jeu : chaque fois qu'il change de direction (toutes les 10 millisecondes dans le système chinois à 50 hertz), le courant devient temporairement nul et l'alimentation en énergie du plasma d'arc s'arrête momentanément. C'est à l'un de ces instants "zéro courant" que le courant de défaut doit être interrompu. À ce moment crucial, un système de refroidissement à l'intérieur du disjoncteur injecte un jet de gaz à haute pression dans l'espace, éliminant tout résidu du plasma d'arc chaud.

Immédiatement après la disparition de l'arc et l'élimination du défaut, le système d'alimentation redémarre. Dans ce processus de récupération, la tension aux bornes de l'écart augmente fortement à plus de 1 million de volts avant de se stabiliser à son niveau de fonctionnement normal. Ainsi, dans les microsecondes avant et après le zéro du courant, les contacts doivent passer de la canalisation d'environ 50 kiloampères de courant à travers le plasma d'arc à la résistance à 1 mégavolt de tension. Ce changement rapide exerce une pression énorme sur les composants des disjoncteurs.

La plupart des systèmes de transmission à haute tension sont protégés contre les courts-circuits par des disjoncteurs à gaz. Cette animation simplifiée montre le processus étape par étape par lequel un disjoncteur interrompt le flux de courant dangereusement élevé créé par un court-circuit.Animation : Erik Vrielink

Pourtant, les disjoncteurs doivent fonctionner parfaitement, car la ligne de transmission doit se remettre en service. Ils doivent fonctionner même s'ils ont été inactifs pendant de longues périodes et par tous les temps. Alors, comment l'opérateur de réseau dans notre exemple chinois peut-il être sûr que ces disjoncteurs feront leur travail et s'assurer qu'une mégapole ne se retrouvera pas dans le noir ? Seuls des tests rigoureux peuvent fournir cette tranquillité d'esprit. Je suis directeur de l'innovation pour KEMA Laboratories, une division néerlandaise de la société norvégienne de conseil et de certification DNV GL. Notre mission : reproduire in extremis les conditions de fonctionnement stressantes d'un réseau ultra-haute tension AC. La reproduction de cet environnement est un défi d'ingénierie extrêmement difficile, mais c'est un défi qui doit être relevé si nous voulons satisfaire les demandes énergétiques des décennies à venir.

Le réseau électrique de demain sera probablement s'appuient sur des installations d'énergie renouvelable à grande échelle telles que des centrales hydroélectriques, des parcs solaires et des parcs éoliens offshore, situés loin des villes énergivores. Pour transporter cette énergie sur de longues distances, les gestionnaires de réseau planifient et construisent des lignes de transmission massives. Ces lignes doivent être à haute tension, elles ne perdront donc qu'une petite fraction d'énergie à cause de la résistance dans les lignes. La construction de ces systèmes haute tension de pointe coûte assez cher. Mais de nombreuses compagnies d'électricité décident que la capacité de déplacer d'énormes quantités d'énergie sur de grandes distances justifie les coûts.

Choisir de construire un système de transmission à haute tension est la première étape. La prochaine étape est de décider : DC ou AC ? Les systèmes de transmission CC haute tension sont une option de plus en plus attrayante, car les lignes de transmission aériennes CC nécessitent moins d'espace et perdent moins de puissance que les lignes CA. Mais la technologie AC est plus mature et les systèmes de transmission les plus puissants du monde sont toujours conçus pour AC. Les derniers super-réseaux AC utilisent une ultra-haute tension (UHV) d'au moins 1 000 kilovolts, un niveau stupéfiant qui n'a pas encore été atteint en DC. Dans cet article, je vais me concentrer sur l'équipement requis pour les réseaux AC.

Vérification des lignes : la State Grid Corp. de Chine mène une expérience sur les lignes de transmission à très haute tension dans la province du Hubei. Photo : Li Jinyong/Xinhua

Le premier segment de réseau UHV-AC commercial a été mis en service en Chine en janvier 2009. La State Grid Corp. of China a dépensé 5,7 milliards de yuans chinois (environ 900 millions de dollars américains) pour ce projet de 1 100 kV, une ligne aérienne de 640 kilomètres qui relie les réseaux électriques du nord et du centre de la Chine. Au total, 1 284 tours, chacune environ 10 fois plus haute que la Grande Muraille, s'élèvent au-dessus du paysage de l'intérieur chinois et envoient de l'électricité à travers les fleuves Jaune et Han. Les tours supportent 25 000 tonnes métriques de conducteurs en aluminium renforcé d'acier pouvant transporter 5 000 MW. Les trois sous-stations du système contiennent des disjoncteurs capables d'interrompre un courant de court-circuit pouvant atteindre 63 kA. En 2013, State Grid a mis en service une ligne UHV-AC est-ouest tout aussi impressionnante s'étendant sur 650 km entre Huainan et Shanghai, qui acheminera l'électricité des centrales au charbon de l'intérieur vers les villes côtières.

Pendant ce temps, l'Inde cherche à établir un nouveau record de tension en construisant un super-réseau de 1 200 kV AC. En 2012, la société indienne Power Grid Corp. a mis en service une station d'essai pour son équipement UHV, et une section de 350 km de la ligne 400 kV Wardha-Aurangabad est en cours de mise à niveau à 1 200 kV. Les déséquilibres de l'alimentation électrique du pays rendent ces projets UHV particulièrement bénéfiques. La ligne Wardha-Aurangabad acheminera l'électricité des centrales électriques au charbon du centre du pays vers la ville d'Aurangabad, un centre informatique et manufacturier émergent qui lutte contre les pénuries d'électricité.

Nous verrons également des projets pionniers dans les décennies à venir qui combinent des réseaux de transmission AC et DC haute tension dans un « réseau hybride ». (IEEE Spectrum a exploré cette possibilité dans son article d'août 2015 "A Globe-Spanning Supergrid".) En Europe et en Chine, et dans une moindre mesure aux États-Unis, on parle de systèmes hybrides qui utiliseraient les avantages des deux approches. Par exemple, un câble CC sous-marin à haute tension pourrait efficacement extraire l'énergie d'un parc éolien éloigné de la mer du Nord et l'acheminer vers un super-réseau CA, où cette énergie pourrait facilement être transformée et shuntée à travers l'Europe selon les besoins.

Test de résistance : à l'intérieur des laboratoires KEMA, un disjoncteur (cylindre bleu) est préparé pour un test. Deux batteries de condensateurs (hautes structures de premier plan) fournissent la tension ultra-haute requise. Laboratoires KEMA

Dans les systèmes de transmission UHV , l'élément technologique le plus crucial est le disjoncteur. Le disjoncteur est le gardien du système : il doit être éternellement vigilant et prêt à agir instantanément. Et il doit fonctionner dans toutes les conditions environnementales et malgré un grand stress à l'échelle du système. Dans l'installation d'essai KEMA, à Arnhem, aux Pays-Bas, nous avons soumis ces marteaux à des contraintes extraordinaires pour fournir une évaluation indépendante de leurs performances. Il y a un besoin évident pour ce service : environ un quart des disjoncteurs apportés à nos laboratoires ne réussissent pas leurs tests.

Pourquoi ne pas s'appuyer sur des simulations pour étudier les contraintes au travail ? Malheureusement, les modèles informatiques ne sont pas encore à la hauteur de la tâche de simuler des interactions à l'échelle de la microseconde entre des circuits électriques et des plasmas extrêmement chauds et chimiquement complexes. Une étude menée par le CIGRÉ, le Conseil international des grands réseaux électriques, a évalué les outils de simulation utilisés par sept grands constructeurs. Tout d'abord, la bonne nouvelle : ces différents outils ont modélisé les champs électriques à des endroits critiques à l'intérieur d'un disjoncteur avec une grande précision et concordance. Mais lorsque les outils ont modélisé la défaillance d'un disjoncteur - le point auquel il a succombé au stress électrique - ils ont produit des valeurs assez différentes les unes des autres et de la vraie valeur testée. C'est comme modéliser la flexion d'un cure-dent : il est facile de calculer les contraintes internes, mais le moment et l'emplacement de la rupture du bois ne peuvent pas être prédits avec précision.

Par conséquent, dans notre laboratoire, nous créons des conditions réelles pour déterminer comment les disjoncteurs se comporteront sur le terrain. Bien sûr, l'électricité entrant dans notre laboratoire n'est pas tout à fait ce que nos tests exigent, nous avons donc dû développer quelques astuces intelligentes qui nous permettent de déclencher de puissantes surtensions de courant et de tension. Dans un processus de test en deux étapes, nous imitons les deux contraintes électriques potentiellement catastrophiques sur un disjoncteur UHV dans une séquence chronométrée avec précision.

Pour imiter le désastre : de puissants générateurs fournissent le courant nécessaire pour reproduire le type de courts-circuits qui peuvent ruiner les réseaux de transmission les plus étendus et les plus coûteux d'aujourd'hui. Laboratoires KEMA

Premièrement, le courant de court-circuit doit traverser le disjoncteur pendant que ses contacts se séparent, créant ainsi un arc électrique à l'intérieur. Actuellement, nous générons ce courant avec quatre générateurs, chacun ayant un rotor de 54 tonnes métriques se déplaçant à une vitesse correspondant à la fréquence alternative souhaitée, de 16,7 à 60 Hz ; très bientôt deux autres tourneront. Pour initier le court-circuit, 12 interrupteurs synchronisés alimentent le circuit, convertissant l'énergie mécanique stockée dans les rotors des générateurs en énergie électrique. Nous pouvons tirer un courant maximum de 100 kA de chaque générateur, suffisamment pour correspondre aux courants de court-circuit de 80 à 90 kA observés dans les réseaux de transmission les plus puissants du monde.

Nous avons donc maintenant reproduit les courants extrêmement élevés observés au premier instant d'un court-circuit. Mais le travail du briseur n'est pas encore terminé. Il doit utiliser son jet de gaz pour dégager l'arc de l'espace au moment critique du zéro du courant, puis, en quelques microsecondes, commencer la récupération du circuit. Lors de l'étape de récupération, les composants doivent supporter une surtension transitoire qui dépasse de loin la tension typique du circuit.

Essai par le feu : un court-circuit à courant élevé sollicite un isolant de ligne de transmission lors d'une démonstration en laboratoire. Laboratoires KEMA

Le courant de court-circuit de 100 kA que nous produisons est disponible à seulement 17 kV. Une demi-douzaine de transformateurs spécialisés élèvent cette tension à 250 kV, mais c'est encore beaucoup trop bas pour tester correctement un disjoncteur UHV. L'utilisation de transformateurs supplémentaires pour augmenter davantage la tension n'a pas de sens car le courant diminuerait en conséquence. Il a donc fallu trouver un autre moyen.

Pour notre deuxième astuce, nous utilisons des batteries de condensateurs aussi grandes que des bâtiments de quatre étages, qui sont préchargées à environ 700 à 800 kV. Au moment critique, nous déclenchons un éclateur, qui décharge les condensateurs en séquence. La première batterie de condensateurs fournit un mégavolt initial, puis quelques centaines de microsecondes plus tard, une seconde batterie de condensateurs ajoute un autre mégavolt. C'est ainsi que nous frappons le disjoncteur UHV avec une tension qui reproduit ce qu'il rencontrerait sur le terrain.

En 2008, nous avons testé des disjoncteurs répondant aux spécifications du supergrid chinois à l'aide d'une installation UHT pilote, qui a fourni 2 MV dans la milliseconde après une coupure par court-circuit. Nous construisons maintenant une installation permanente, au coût de 80 millions de dollars, qui nous permettra de tester à la fois les disjoncteurs UHV et un autre élément clé du supergrid : les transformateurs haute tension. Nos tests ont montré qu'environ 25 % de ces transformateurs sont endommagés en interne par les énormes forces électrodynamiques associées aux courts-circuits. Ces transformateurs doivent survivre au courant de court-circuit qui les traverse pendant un bref laps de temps avant que les disjoncteurs ne fassent leur travail, ce qui n'est pas une tâche facile.

Cela peut surprendre certains ingénieurs électriciens apprendre qu'un tel équipement de test de haute technologie doit être utilisé pour quelque chose d'aussi commun qu'un disjoncteur. N'avons-nous pas compris tout ce qu'il y a à savoir sur la technologie des disjoncteurs il y a des décennies ? En fait, la technologie continue d'évoluer, tout comme notre capacité à évaluer ses performances.

Les disjoncteurs à base d'huile dominaient au début du XXe siècle. Dans ces appareils, les contacts se trouvent à l'intérieur d'un réservoir rempli d'huile ; lorsque l'arc se forme, il transforme une partie de l'huile en une bulle de gaz à haute pression, qui entoure et éteint l'arc. Mais ces réservoirs d'huile sont des engins encombrants et dangereux. Les années 1970 ont vu l'essor des disjoncteurs utilisant de l'hexafluorure de soufre, un gaz inerte doté de bonnes propriétés isolantes, qui est soufflé à travers l'espace pour éteindre l'arc. Cependant, le SF6 étant un gaz à effet de serre extrêmement puissant, l'industrie de l'électricité développe actuellement des technologies alternatives.

De nombreux chercheurs étudient un type de disjoncteur qui interrompt le courant dans un environnement sous vide. La principale difficulté ici est la gestion du champ électrique dans le vide. Parce qu'aucun gaz ou liquide n'est présent, le plasma d'arc crée son propre milieu en libérant et en ionisant la vapeur métallique des contacts eux-mêmes. Lorsque le plasma chaud brûle les contacts, il déforme leurs surfaces, créant des creux et des pics microscopiques. Les saillies qui dépassent de la surface d'un contact sont analogues aux grands arbres qui dominent la surface de la Terre et sont donc plus susceptibles d'être frappés par la foudre. Les contacts rugueux peuvent continuer à canaliser le courant alors qu'ils ne le devraient pas, à savoir lorsque le disjoncteur tente de dégager l'arc.

Pour développer davantage ces disjoncteurs à vide, nous devons les tester dans des conditions de pleine puissance et étudier le courant de quelques dizaines de microampères qui est extrait des saillies des contacts par l'effet tunnel de la mécanique quantique. Ces infimes courants signalent-ils une reprise imminente de l'arc électrique et donc la défaillance du disjoncteur ? C'est une question très débattue dans la communauté scientifique. Chez KEMA Labs, nous cherchons des réponses en évaluant l'effet de ces minuscules courants dans des équipements réels sous pleine contrainte.

En effet, bon nombre de nos projets de recherche impliquent de travailler sur les plus petites échelles imaginables. Étonnamment, des processus très rapides se produisant à l'échelle microscopique déterminent souvent si les composants massifs d'un réseau de transmission vont mal fonctionner et éventuellement si une ville entière va sombrer.

In With the New : Un transformateur spécialisé destiné à l'expansion du nouveau laboratoire de KEMA est vérifié sur une barge avant l'installation.Photo : KEMA Laboratories

Il faut pouvoir étudier, par exemple, les événements au sein du disjoncteur pendant les quelques microsecondes entourant le moment zéro du courant. Dans ce laps de temps minuscule, le disjoncteur doit passer d'un très bon conducteur à un isolant presque parfait. Grâce aux outils les plus récents, nous sommes maintenant en mesure de surveiller cette transition. Une méthode haute résolution que nous avons développée peut détecter des courants inférieurs à un seul ampère et ne durant que quelques microsecondes lors de tests de court-circuit à grande échelle, qui utilisent des courants mesurés en centaines de kiloampères. On recherche ces courants infimes après l'instant zéro courant pendant lequel l'arc aurait dû être totalement éteint. Si nous les trouvons, nous avons une indication que quelque chose ne va pas avec la récupération du disjoncteur, et que l'arc électrique complet peut flamber à nouveau à l'intérieur de son espace.

Les super-réseaux électriques du 21e siècle s'appuieront sur ces gardiens coupe-circuit, stationnés comme des sentinelles le long des lignes de transmission à travers le continent. Et les disjoncteurs s'appuient à leur tour sur des ingénieurs dans les laboratoires de test qui libèrent de puissantes inondations d'électricité pour stresser ces composants au maximum, tout en sondant les processus intimes dans le cœur des disjoncteurs. Seuls de tels tests de haut en bas garantiront que l'équipement peut garder une mégapole chinoise au frais même le jour le plus chaud.

Cet article a paru à l'origine sous le titre "Sauvegarder le Supergrid".