Extrémités entièrement synthétiques pour câbles à haute tension

21, rue d'Artois, F-75008 Paris
http://www.cigre.org
B1-109
Session 2004
© CIGRÉ
EXTREMITES ENTIEREMENT SYNTHETIQUES
POUR CABLES A TRES HAUTE TENSION
M.H LUTON *
Sagem
P. MIREBEAU
Nexans
P. DEJEAN
Câbles Pirelli
F. LESUR
EDF R&D
V. CAPGRAS
RTE - Réseau
de Transport
d'Electricité
FRANCE
1. INTRODUCTION
Depuis plus de quarante ans, les extrémités extérieures pour câbles Haute Tension (HT)
extrudés comportent traditionnellement un isolateur porcelaine rempli avec un fluide isolant
(huile ou gaz SF6). Même si le retour d’expérience de cette conception s’avère très positif, un
certain nombre d’inconvénients peuvent être notés.
D’une part, la présence d’un fluide à l’intérieur de l’isolateur requiert une étanchéité réalisée
avec soin afin d’éviter des fuites d’huile ou de gaz qui pourraient conduire en service à un
claquage électrique. Dans ce cas assez rare, certains fluides peuvent prendre feu sous
l’effet de l’arc interne et provoquer l’émission de gaz toxiques. Pour réduire ces risques et
améliorer la disponibilité des liaisons, ces extrémités sont parfois pourvues de systèmes de
surveillance et d’alarme qui maintiennent sous contrôle le fluide pendant l’exploitation.
D’autre part, les isolateurs porcelaine sont fragiles et lourds. Dans le cas extrême de
claquages interne, ou externe dû au vandalisme, il existe un risque d’explosion.
Enfin, dans les zones à risque sismique, des précautions spéciales doivent être prises.
Pour pallier ces inconvénients, deux nouvelles familles d’extrémités complètement sèches
ont été développées.
La première famille est celle des extrémités « flexibles » : ce sont des extrémités
suspendues à des structures munies de supports isolants.
La deuxième famille consiste en un nouveau type d’extrémités extérieures autoporteuses
sèches. Ce nouveau concept est basé sur un cône déflecteur traditionnel. L’isolateur est
préférentiellement de type composite. Il est rempli d’un matériau innovant qui, après
réticulation, prend la consistance d’un gel.
Le présent rapport traite de ces deux familles d’extrémités synthétiques.
_________________________________________________________________________________________
1
2. DESCRIPTION DES CONCEPTIONS D’EXTREMITES SYNTHETIQUES
Les extrémités synthétiques ont été développées pour les câbles à isolation extrudée.
L'expérience française dans ce domaine a été décrite dans le rapport 21-201 préparé pour la
session Cigré 1992 [1].
Comme indiqué dans ce rapport, la conception des extrémités synthétiques est basée sur
l'analyse de leurs fonctions principales :
• répartition du champ électrique,
• comportement en environnement pollué,
• passage du courant, connexion,
• étanchéité,
• mise à la terre,
• fixation.
On distingue aujourd'hui deux types d'extrémités synthétiques sans fluide de remplissage :
• les extrémités « flexibles »,
• les extrémités autoporteuses.
2.1.
Extrémités flexibles
Les extrémités flexibles sont constituées selon le schéma de principe présenté sur la figure
1. Leur particularité essentielle est de ne recourir ni à l'utilisation d'un isolateur, ni à l'emploi
d'un fluide de remplissage.
La répartition des lignes de champ au
niveau de l'arrêt d'écran du câble est
assurée par un bloc déflecteur en
élastomère, le plus souvent en EPDM ou
silicone.
Certains modèles peuvent également
intégrer l'emploi de matériaux spécifiques
de type "Répartiteur Linéaire de Tension".
Ces matériaux permettent une répartition
du champ électrique optimisée et un
encombrement réduit.
La ligne de fuite de l'extrémité est assurée
par la mise en place sur le câble
d'éléments préfabriqués également en
élastomère.
Dans le cas des extrémités flexibles, les
éléments constituant la ligne de fuite,
depuis la connexion haute tension jusqu'à
la prise d’écran, en passant par le bloc
déflecteur, sont en contact direct avec
l'extérieur. Une attention particulière doit
Figure 1 - Schéma de principe des extrémités
donc être apportée au choix des matériaux
synthétiques flexibles selon CIGRE 21-06
qui les composent.
Ces derniers doivent en effet présenter une tenue satisfaisante aux contraintes combinées
diélectriques et climatiques (rayonnement solaire, pluie, brouillard salin, pollution, etc.).
_________________________________________________________________________________________
2
La structure de ces extrémités leur confère les propriétés essentielles suivantes :
• dimensions externes (diamètre) et masse réduite (environ trois fois plus léger qu’une
extrémité porcelaine HT équivalente),
• nombre de composants très limité,
• aptitude à l'emploi sur liaisons temporaires - intervention rapide.
2.2.
Extrémités autoporteuses
Les extrémités autoporteuses sont d'un principe identique à celui des extrémités de type
extérieur avec isolateur composite. Leur particularité réside dans la substitution du fluide de
remplissage (huile ou SF6) par une matière de remplissage assimilable à un gel. Le schéma
de principe de cette extrémité est présenté sur la figure 2.
Dans ce cas, la protection vis-à-vis de
l'environnement est assurée par l'isolateur.
C'est lui qui doit être dimensionné pour
supporter sans défaillance les contraintes
diélectriques et climatiques externes.
L'isolateur est constitué d’un tube en fibre
de verre protégé par une couche
d'élastomère en EPDM ou silicone. Le
bloc déflecteur employé est en contact
avec le gel de remplissage.
Les caractéristiques essentielles de cette
extrémité sont que :
• l'isolateur rigidifie l'extrémité et lui
confère son caractère autoporteur,
• le poids est diminué de 1,5 à 2 fois en
fonction de la classe de pollution de la
porcelaine de référence.
Figure 2 : Schéma de principe des extrémités
autoporteuses - selon CIGRE 21-06
3. CARACTERISTIQUES PRINCIPALES
Le concept des extrémités synthétiques conduit à un nombre restreint de composants et
autorise un montage simplifié et rapide, ainsi qu’une réduction des délais d'intervention sur
site.
Le cycle de fabrication réduit des composants, et notamment celui de l’isolateur, rend la mise
à disposition plus rapide.
Un avantage majeur de ces accessoires synthétiques réside dans leur faible poids. Les
coûts de conditionnement et de transport sont alors réduits de manière appréciable. Il en est
de même pour celui des structures destinées à supporter ces équipements.
Il est possible de recenser de nombreuses variantes d’installation (pylônes, postes), avec ou
sans inclinaison des extrémités.
_________________________________________________________________________________________
3
La surveillance et la mise à niveau du fluide ne sont plus nécessaires. Cette caractéristique
est particulièrement appréciable pour des pylônes aérosouterrains, éloignés des systèmes
de contrôle commande et des sources d'alimentation.
Lors de défauts éventuels, le risque d’incendie ou d’explosion est considéré comme nul.
C’est un progrès considérable pour le personnel, le matériel et les riverains à proximité des
installations. On peut également souligner la résistance des extrémités synthétiques vis-à-vis
des actes de vandalisme et des contraintes sismiques
Enfin, l’absence de fluide réduit notablement la pollution susceptible d’être générée.
En outre, pour les extrémités flexibles, on peut noter que l’enroulement aisé de l’extrémité
sur touret permet une utilisation dans le cadre de liaisons temporaires.
Leur compacité entraîne un impact visuel particulièrement réduit qui contribue à une
meilleure intégration dans l’environnement.
4. EVALUATION DES PERFORMANCES
Alors que le développement des extrémités synthétique Haute Tension date d’il y a 20 ans,
quelques normes internationales les concernant n'ont été publiées que récemment [2]. Dans
la phase initiale du projet de développement des extrémités synthétiques haute tension, il
n'existait pas non plus de norme nationale.
Des essais d'investigation d'extrémités
synthétiques Haute Tension en zone polluée
ont été conduits pendant plusieurs années.
Associés au retour d'expérience des
extrémités synthétiques moyenne tension
largement utilisées, ils ont servi de base à
l'élaboration des normes françaises. Il s'agit :
•
•
De la norme NF C 33-064 [3] pour les
extrémités synthétiques jusqu'à 150 kV,
De la norme C 33-065 [4] pour les
extrémités à enveloppe composite de
tension supérieure à 150 kV.
Elles introduisent dans le corps d'essais une
évaluation du comportement de l'extrémité
sous contrainte climatique [5] issu de Electra
88 (1983) [6] et repris dans la CEI 1109
(1992) [7] :
•
essais de vieillissement accéléré
sous
contraintes
climatiques
simulées
(5 000 h). Figure 3.
Figure 3 : Extrémités composites en essai de
vieillissement accéléré sous contraintes
climatiques simulées
•
•
essais de tenue au cheminement sur matériaux (2 000 h),
essais de tenue en atmosphère humide et sous condensation (240 h),
_________________________________________________________________________________________
4
Les performances électriques requises sont identiques à celles des extrémités à enveloppe
porcelaine :
•
•
•
essais de courte durée (24 h),
essais de longue durée (6000 h),
essais de court circuit de la connexion Haute Tension et de la prise d'écran.
Les essais mécaniques sont spécifiques aux extrémités autoporteuses :
•
•
essai "cantilever" de même niveau que celui des extrémités porcelaines,
essai de tenue à l'arc interne.
Il s'agit du corps d'essais le plus complet appliqué à des extrémités extérieures. Le temps
cumulé de tous les essais est important.
Les produits qualifiés ont à ce jour un comportement en service sans reproche.
5. PREMIERES INSTALLATIONS
Les extrémités flexibles (figures 4 et 5) sont essentiellement installées soit sur pylône soit
dans des postes (en intérieur ou en extérieur) ou bien encore dans le cas d’installations
temporaires utilisant des liaisons pré-équipées prêtes à l'emploi sur site.
Figure 4 : Extrémités flexibles sur
pylône bois
Figure 5 : Extrémités flexibles sur
pylône métallique
Les extrémités autoporteuses (figures 6 et 7) peuvent être installées en poste ou sur
pylône, en position verticale ou inclinée.
_________________________________________________________________________________________
5
Figure 6 : Extrémités autoporteuses 145 kV
en poste
Figure 7 : Extrémités auto-porteuses 132 kV
sur pylône
6. PERSPECTIVES ET EVOLUTIONS
Les extrémités sans fluide présentent de nombreux atouts et les premières installations sont
appréciées des utilisateurs. Cependant des améliorations sont encore possibles, tant au
niveau de l’installation que des performances, pour bénéficier pleinement de leurs
avantages.
6.1.
Réduction des coûts d'installation
Si l'on souhaite réduire les coûts globaux d'installation, une attention particulière doit être
portée aux structures supports pour, d'une part, minimiser le coût de ces structures et,
d'autre part, optimiser et si possible réduire le temps nécessaire à l'installation des
extrémités.
Dans le cas des extrémités flexibles,
compte tenu du poids limité de ces
extrémités, les pylônes peuvent être
sensiblement allégés.
Des études sont en cours sur ce sujet et
des gains de l'ordre de 10% vis-à-vis des
pylônes standards actuels peuvent être
attendus.
Figure 8 - Pylône métallique
Exemple de structures supports nécessaires
pour extrémités avec isolateur
(à comparer avec figure 5)
6.2.
Evolution des produits
Les premières extrémités flexibles qualifiées pour le réseau français ont été développées
pour les applications HT 63-90 kV. L'évolution vers des niveaux de tension plus élevés THT
jusqu'au 225 kV est à l'étude et il apparaît clairement que la légèreté, la facilité de
manipulation, l'allègement des structures supports et donc la réduction des coûts globaux
seront encore plus sensibles et appréciables pour ces niveaux de tension.
_________________________________________________________________________________________
6
Concernant les extrémités autoporteuses, les composants, les matières et procédés de
remplissage évolueront afin de rendre leur utilisation sur site plus aisée et réduire les délais
d'installation. Jusqu'à présent, les coûts des isolateurs composites demeurent globalement
supérieurs à ceux des porcelaines. Cependant, la généralisation progressive d'emploi de ces
isolateurs composites sur l'ensemble des matériels électriques conduira à une réduction de
leur coût de fabrication.
6.3.
Impact environnemental
Le respect de l’environnement devient chaque jour un critère plus important. Le choix des
extrémités synthétiques contribue à la réduction de l’impact visuel, du risque de pollution par
fuite d’huile ou de rejet de gaz.
Raréfaction matières
premières
Production de déchets 1,00
Raréfaction Energie
dangereux
0,10
Eutrophisation
Raréfaction Eau
0,01
de l'eau
0,00
Toxicité de l'eau
Acidification de l'air
Création
Ozone (photochimique)
Porcelaine
Réchauffement
global
Raréfaction ozone
Toxicité de l'air
La figure 9 présente la comparaison entre
les signatures environnementales d'une
extrémité porcelaine et d'une extrémité
entièrement synthétique 90 kV.
Cette comparaison est obtenue via une
étude EIME (Environmental Information
and Management Explorer) basée sur un
modèle scientifique (International Panel on
Climate Change for the Global Warming
indicator).
Synthetique
Figure 9 : Comparaison des signatures
environnementales d'extrémité porcelaine et
d'extrémité synthétique 90kV
Il apparaît que les extrémités entièrement synthétiques apportent vis-à-vis des extrémités
avec isolateur et fluide une réduction très significative, supérieure à 90%, de l'impact sur
l'environnement.
7. CONCLUSION
Les extrémités synthétiques, dans la mesure où elles ont été qualifiées selon un corps
d’essais approprié, sont reconnues comme du matériel fiable et présentant les garanties de
sécurité nécessaires.
En effet, le retour d’expérience s’avère très satisfaisant. Rappelons que les premières
extrémités, installées à titre expérimental dans les années 1980, et dont la conception a été
qualifiée depuis, présentent une disponibilité au moins équivalente à celles des extrémités à
enveloppe porcelaine. De plus, elles ne peuvent ni exploser, ni polluer et ne contiennent pas
de fluide contrairement aux extrémités avec isolateur en porcelaine.
Cet aspect a conduit RTE, le gestionnaire du Réseau de Transport d’Electricité Français, à
favoriser l’installation de telles extrémités dans des zones fréquentées, indifféremment sur
pylône aérosouterrain ou sur support en postes.
_________________________________________________________________________________________
7
Les réalisations les plus récentes aux niveaux de tension 63 kV et 90 kV confirment l’intérêt
de ces matériels. Leurs avantages sont perçus par les exploitants comme indéniables. C’est
pourquoi le développement et l’utilisation de tels matériels pour les niveaux de tensions
supérieures à 150 kV apparaissent comme essentiels.
Enfin, une réduction des coûts globaux est attendue. En effet, l’évolution des composants
ainsi qu'une certaine standardisation des installations vont induire un effet de volume et une
baisse conséquente des prix. Cela permettra de généraliser leur utilisation.
8. BIBLIOGRAPHIE
[1] S. Le Peurian - P. Dejean - P. Argaut
Synthetic terminations for High Voltage cables. Assessment of service life.
Rapport Cigré 21-201 Session 1992.
[2] CEI 611462
Composite insulators - Hollow insulators for use in outdoor and indoor electrical equipment Definitions, test methods, acceptance criteria and design recommendations - 27 nov. 1998
[3] NF C 33-064
Extrémités synthétiques de type intérieur ou extérieur, sans isolateur en porcelaine, pour
câbles unipolaires à isolations synthétiques extrudée de tensions assignées supérieures à
30 kV (Um = 36 kV) et jusqu'à 150 kV (Um = 170 kV) - Septembre 1999.
[4] C 33-065
Extrémités autoporteuses synthétiques ou à enveloppe composite de type extérieur, sans
isolateur en porcelaine, pour câbles unipolaires à isolation synthétique extrudée de tensions
assignées supérieures à 150 kV (Um = 170 kV) et jusqu'à 500 kV (Um = 525 kV).
Février 2001.
[5] HM-62/5448/2
Projet de spécification technique pour extrémités allégées de type extérieur ou intérieur pour
câbles à isolation synthétique de tensions maximales 72,5 et 100 kV (et jusqu'à 170 kV).
Octobre1987.
[6] Electra 88
Support technique pour l'établissement des spécifications minimales des isolateurs
composites - GT 10.1983.
[7] CEI 1109 and Amendment 1 Composite insulators for a.c. overhead lines with a nominal
voltage greater than 1000 V – Definitions, test methods and acceptance criteria.
Mars 1992 et Amendement Avril 1995.
_________________________________________________________________________________________
8