Définition, composants et applications des appareillages de commutation à isolation gazeuse

Appareillage à gaz isolé (GIS) est un équipement électrique qui utilise un gaz comme l'hexafluorure de soufre (SF6) pour isoler et protéger différentes parties d'un système électrique. Il comprend des compartiments en métal contenant des disjoncteurs, des sectionneurs, des barres omnibus, des transformateurs, des interrupteurs de terre, des parafoudres et d'autres composants. Le SIG est principalement utilisé à des fins de moyenne et haute tension, en particulier dans les situations où l'espace est limité et où la fiabilité est cruciale.

Cet article définira le SIG, y compris ses avantages, ses inconvénients et ses utilisations. De plus, nous comparerons le GIS à l'AIS, la forme traditionnelle d'appareillage de commutation utilisant l'air pour l'isolation.

Qu'est-ce qu'un appareillage de commutation à isolation gazeuse ?

A Appareillage à gaz isolé(GIS) est caractérisé comme un appareillage à enveloppe métallique qui utilise un gaz, comme le SF6, comme isolation principale entre les parties actives et le boîtier métallique mis à la terre. Le gaz offre une rigidité diélectrique supérieure, une stabilité thermique et des capacités impressionnantes d’extinction d’arc.

Les principaux composants d'un SIG sont :

Disjoncteurs:Ces dispositifs sont conçus pour interrompre la circulation du courant électrique dans un circuit lorsqu'un problème survient. Ils utilisent soit le vide, soit le SF6 comme moyen d'interruption, choisi en fonction de la tension et de l'objectif du circuit.

Sectionneurs :Ces dispositifs sont capables d'isoler une partie spécifique d'un circuit du reste du système, permettant ainsi d'effectuer une maintenance ou des tests sans perturber l'ensemble du système. Ils utilisent le SF6 comme agent isolant et peuvent être contrôlés manuellement ou à distance.

Barres omnibus :Ces conducteurs relient diverses sections du système électrique, comme les générateurs, les transformateurs et les lignes d'alimentation. Ils utilisent du SF6 pour l'isolation et sont installés dans une configuration triphasée.

Transformateurs :Ces appareils peuvent modifier le niveau de tension d'un circuit électrique, en utilisant le SF6 comme milieu isolant. Ils peuvent être classés en transformateurs de puissance ou en transformateurs de mesure, qui incluent les transformateurs de courant ou les transformateurs de tension.

Sectionneurs de terre :Ces dispositifs sont utilisés pour la sécurité et la mise à la terre en connectant une partie du circuit à la terre. Ils utilisent le SF6 comme agent isolant et peuvent être contrôlés manuellement ou à distance.

Parafoudres :Ces dispositifs sont conçus pour protéger les circuits contre les surtensions provoquées par la foudre ou les événements de commutation. Ils utilisent le SF6 comme matériau isolant et peuvent être classés en deux types : les varistances à oxyde métallique (MOV) ou les éclateurs.

Les composants sont logés dans un boîtier métallique rempli de gaz SF6 à une pression spécifique. Le caisson est divisé en plusieurs sections étanches, séparées par des cloisons étanches aux gaz. Les sections sont reliées par des conduites de gaz et des vannes qui facilitent la régulation du débit de gaz et de la pression.

L'enceinte est livrée avec des capteurs, des moniteurs, des indicateurs, des alarmes et des dispositifs de contrôle pour garantir le fonctionnement sûr et efficace du SIG. En fonction des conditions environnementales et des besoins de conception, l'enceinte peut être située à l'intérieur ou à l'extérieur.

Comment fonctionne un appareillage de commutation à isolation gazeuse ?

Le principe principal de fonctionnement du GIS est d’utiliser le gaz SF6 comme isolant et comme extincteur d’arc. Le gaz SF6 présente plusieurs avantages par rapport à l’air en tant que moyen isolant.

◆　Il a une rigidité diélectrique plus élevée que l'air, ce qui signifie qu'il peut résister à des tensions plus élevées sans panne.

◆　Il a un poids moléculaire inférieur à celui de l'air, ce qui signifie qu'il a une conductivité thermique plus élevée et peut dissiper la chaleur plus efficacement.

◆　Il a une électronégativité plus élevée que l'air, ce qui signifie qu'il peut capturer plus efficacement les électrons libres et réduire l'ionisation dans l'arc.

Ces propriétés rendent le gaz SF6 idéal pour les applications SIG, où l'espace est limité et où la fiabilité est essentielle.

Le fonctionnement du SIG peut être expliqué à l'aide d'un exemple de disjoncteur triphasé. Dans des conditions normales, les contacts du disjoncteur sont fermés et le courant les traverse. Lorsqu'un défaut survient dans le circuit, comme un court-circuit ou une surcharge, les contacts se séparent et un arc se produit entre eux.

L'arc est composé de gaz ionisé qui conduit l'électricité. L'arc génère de la chaleur et de la pression qui peuvent endommager les contacts et autres composants. Pour éviter cela, l'arc doit être éteint le plus rapidement possible.

Le processus d'extinction de l'arc dans le SIG implique deux mécanismes : l'interruption thermique et l'interruption diélectrique.

Interruption thermique :Ce processus dépend de l'abaissement de la température de l'arc électrique en transférant de la chaleur au gaz voisin. À mesure que l'arc devient plus froid, sa résistance augmente, provoquant une diminution du courant jusqu'à ce qu'il atteigne zéro à un point de passage à zéro naturel du courant. Lorsque cela se produit, l’arc s’éteint.

Interruption diélectrique :Ce système dépend de l'augmentation de la capacité du gaz à résister aux claquages ​​électriques en éliminant les particules ionisées sur le trajet de l'arc électrique. Lorsque l'arc est arrêté, le gaz SF6 pénètre dans l'espace et capture les électrons non liés, créant ainsi des molécules sans charge qui ne peuvent pas transporter de courant électrique. La capacité du gaz à résister au claquage revient rapidement à la normale, empêchant ainsi l'arc de se rallumer.

Une fois l'arc éteint, les contacts se referment et le circuit est rétabli. Un système de gestion du gaz surveille et contrôle la pression du gaz SF6 et assure également la qualité du gaz et la détection des fuites.

Applications d'appareillage de commutation à isolation gazeuse.

Le SIG est largement utilisé dans diverses applications en raison de sa compacité, de sa fiabilité et de ses faibles exigences de maintenance. Certaines des applications courantes du SIG sont :

Zones urbaines ou industrielles :Le SIG est idéal pour les zones urbaines ou industrielles où l’espace est rare et les niveaux de pollution élevés. Le SIG peut être installé à l’intérieur ou à l’extérieur, sur des toits, sur des plateformes souterraines ou offshore, sans affecter l’environnement ou l’esthétique.

Production et transmission d’électricité :Le SIG est utilisé pour connecter les centrales électriques au réseau, ainsi que pour transmettre et distribuer l’électricité sur de longues distances et sur différents niveaux de tension. Le GIS peut gérer des courants et des tensions élevés, ainsi que fournir des fonctions de protection et de contrôle pour les systèmes électriques.

Intégration des énergies renouvelables :Le SIG est utilisé pour intégrer des sources d'énergie renouvelables, telles que des parcs éoliens ou des centrales solaires, dans le réseau. Le SIG peut fournir des connexions flexibles et fiables, ainsi qu'une régulation de tension et de fréquence pour la production d'électricité intermittente.

Chemins de fer et métros :Le SIG est utilisé pour alimenter les chemins de fer et les métros, ainsi que pour contrôler et protéger leurs systèmes électriques. Le SIG peut réduire les pertes et améliorer l’efficacité, tout en assurant la sécurité et la fiabilité des passagers et des opérateurs.

Centres de données et usines :Le SIG est utilisé pour alimenter en électricité les centres de données et les usines, où une alimentation électrique ininterrompue et de haute qualité est essentielle à leur fonctionnement. Le SIG peut fournir une haute disponibilité, une redondance et une tolérance aux pannes, ainsi que réduire les interférences électromagnétiques et les harmoniques.

Comparaison des appareillages à isolation gazeuse avec les appareillages à isolation par air.

Appareillage à gaz isolé (GIS) présente plusieurs avantages par rapport à l'appareillage de commutation isolé dans l'air (AIS), qui est le type conventionnel d'appareillage de commutation qui utilise l'air comme moyen d'isolation. Certains des avantages du SIG sont :

Gain de place :Les systèmes d'information géospatiale (SIG) peuvent minimiser considérablement les exigences spatiales d'une sous-station, réduisant son empreinte jusqu'à 90 % par rapport aux appareillages de commutation isolés dans l'air (AIS). Cette réduction remarquable est réalisable puisque le SIG peut être hébergé dans un édifice à un ou plusieurs étages ou enterré sous terre, éliminant ainsi le besoin d'une vaste zone ouverte généralement requise par l'AIS pour l'installation et l'entretien.

Sécurité:La technologie du système d'information géographique (SIG) peut grandement améliorer la sécurité du personnel et des équipements en éliminant les risques associés aux pièces sous tension et aux arcs électriques. De plus, le GIS minimise le risque d'incendie, d'explosion ou de pollution de l'environnement, car il contient du gaz SF6 dans un boîtier sécurisé et étanche.

Fiabilité:Un système d'information géographique (SIG) peut améliorer la fiabilité d'une alimentation électrique en minimisant le nombre de composants mobiles et de connexions susceptibles de se détériorer ou de mal fonctionner. De plus, le SIG a une durée de vie plus longue qu'un système d'identification automatique (AIS) car il est moins sensible aux influences environnementales telles que l'humidité, la poussière, la corrosion ou la pollution.

Entretien:L'utilisation du SIG peut réduire les dépenses de maintenance et minimiser les temps d'arrêt, car il nécessite moins de maintenance et de contrôles réguliers que l'AIS. Le SIG est équipé de capacités d'autodiagnostic qui peuvent identifier les problèmes et avertir les opérateurs avant qu'ils ne s'aggravent.

Néanmoins, le SIG présente des inconvénients par rapport à l'AIS, notamment en termes de coût. Le SIG est plus cher que l’AIS en termes de coûts initiaux et de dépenses d’exploitation courantes. Cela est dû à la nécessité de disposer de technologies et de matériaux plus avancés, ainsi que de normes de qualité et de processus de test plus stricts.

Complexité:Le SIG présente un niveau de complexité plus élevé dans sa conception et sa mise en œuvre par rapport à l'AIS en raison de la nécessité d'une coordination et d'une intégration accrues entre divers composants et systèmes, notamment la gestion des gaz, la protection, le contrôle, la communication et autres.

Disponibilité:Le SIG n'est pas toujours aussi accessible que l'AIS, notamment dans les situations où une panne survient au sein d'un compartiment, impactant plusieurs composants. Cela est dû au fait que le SIG nécessite généralement plus de temps et de ressources pour identifier et corriger le défaut que l'AIS. En conséquence, la décision d’opter pour le SIG ou l’AIS dépend d’une série de facteurs, notamment les conditions du site, les exigences techniques, les considérations économiques et les préférences individuelles.

Types et modèles d'appareillage de commutation à isolation gazeuse.

Il existe différents types et modèles d'appareillages à isolation gazeuse disponibles auprès de différents fabricants. Certains des types courants sont :

SIG phase isolée :Dans ce type, chaque phase du circuit est assemblée séparément dans son compartiment. Ce type nécessite plus d'espace que les autres types de SIG, mais il évite les défauts entre phases.

SIG triphasé intégré :Dans ce type, les trois phases du circuit sont rassemblées dans un seul compartiment. Ce type réduit l'encombrement d'un tiers par rapport au SIG en phase isolée.

SIG hybride :Dans ce type, une combinaison d’éléments à phase isolée et triphasée est utilisée. Ce type offre un équilibre entre gain de place et prévention des pannes.

SIG compact :Dans ce type, plusieurs éléments fonctionnels sont encapsulés dans un seul compartiment. Par exemple, un disjoncteur, un sectionneur et un transformateur de courant peuvent être combinés dans un seul module. Ce type réduit encore davantage l’espace requis par rapport aux autres types de SIG.

Système hautement intégré (HIS) :Dans ce type, tous les équipements de la sous-station sont encapsulés dans une seule enceinte. Ce type offre une solution complète pour une sous-station extérieure dans une seule unité, éliminant le besoin de connexions externes et réduisant le temps d'installation.

Conclusion.

Appareillage à gaz isoléest un type d'équipement électrique qui utilise un gaz, tel que le SF6, comme moyen d'isolation principal et d'extinction d'arc. Il se compose de compartiments métalliques abritant divers composants du système électrique, tels que des disjoncteurs, des sectionneurs, des barres omnibus, des transformateurs, des interrupteurs de terre, des parafoudres, etc.

Le GIS présente plusieurs avantages par rapport aux appareillages de commutation isolés dans l'air, tels que le gain de place, la sécurité, la fiabilité et une maintenance réduite. Cependant, le SIG présente également certains inconvénients, tels qu'un coût élevé, une complexité et une disponibilité moindre dans certains cas.

Le SIG est largement utilisé dans diverses applications, telles que les zones urbaines ou industrielles, la production et le transport d'électricité, l'intégration des énergies renouvelables, les chemins de fer et les métros, les centres de données et les usines. En fonction du niveau de tension et des exigences de conception, différents types et modèles de SIG sont disponibles auprès de différents fabricants.

Le SIG est une technologie moderne et avancée qui peut fournir des solutions efficaces et fiables pour les systèmes électriques. Cependant, il est important de comprendre ses caractéristiques, ses avantages et ses inconvénients, ainsi que ses applications avant de choisir le type d'appareillage de commutation pour un projet spécifique.