Echipamentele electrice de înaltă tensiune este setul de aparate care permit setarea sau oprirea tensiunii porțiuni ale unei grile de alimentare la tensiune înaltă (inclusiv operațiuni de vărsare ).
Echipamentul electric este un element esențial care permite obținerea protecției și funcționarea sigură și neîntreruptă a unei rețele de înaltă tensiune. Acest tip de echipament este foarte important în măsura în care activitățile multiple necesită o alimentare permanentă cu energie electrică de înaltă calitate.
Termenul „înaltă tensiune” include vechea medie tensiune ( HTA ) și vechea înaltă tensiune ( HTB ), prin urmare se referă la dispozitive cu tensiune nominală mai mare de 1.000 V , în curent alternativ și mai mare de 1.500 V în cazul curenților continua . Aplicațiile industriale ale întreruptoarelor de înaltă tensiune sunt în prezent limitate la curent alternativ, deoarece sunt mai economice, totuși există deconectori de înaltă tensiune pentru conexiunile de curent continuu.
Echipamentele electrice de înaltă tensiune a fost stabilit la sfârșitul XIX - lea secol, inițial de manevră motoare și alte mașini electrice. A continuat să se dezvolte, aparatele de distribuție sunt utilizate în prezent în toate domeniile de înaltă tensiune, până la 1.100 kV .
Evoluția aparatelor de comutare de înaltă tensiune, în special a tehnicilor de rupere utilizate, a fost influențată de progresul tehnologic, de dezvoltarea mijloacelor de calcul care au făcut posibilă optimizarea dimensiunilor aparatelor, concurența care i-a determinat pe producători să producă dispozitive din ce în ce mai economice, dar și prin evoluția rețelelor care au necesitat producția de dispozitive pentru tensiuni din ce în ce mai mari.
Tabelul următor prezintă evoluția tensiunii maxime a rețelelor de înaltă tensiune, din 1912 , anul în care prima linie cu o tensiune mai mare de 100 kV a fost pusă în funcțiune .
Linia | Țară | Tensiunea rețelei (kV) | An |
---|---|---|---|
Lauchhammer - Riesa | 110 | 1912 | |
Brauweiler - Ludwigsburg | 220 | 1929 | |
Boulder Dam - Los Angeles | 287 | 1932 | |
Harsprånget - Hallsberg | 380 | 1952 | |
Moscova - Volgograd | 525 | 1960 | |
Montreal - Manicouagan | 735 | 1965 | |
Broadford - Baker | 765 | 1969 | |
Ekibastuz - Kokchetav | 1200 | 1985 | |
Suvereto - Valdicciola | 1050 | 1981 - 1995 | |
Minami - Niigata | 1100 | 1993 | |
Jindongnan - Jingmen | 1100 | 2009 |
Capitolul despre tehnici utilizate pentru izolare și rupere descrie în detaliu diferitele tehnici dezvoltate pentru a produce aparate de comutare de înaltă tensiune care au făcut posibilă îndeplinirea constrângerilor și cerințelor din ce în ce mai severe care au însoțit această evoluție a rețelelor de înaltă tensiune.
Creșterea curentului de scurtcircuit în rețelele de înaltă tensiune a favorizat apariția întrerupătoarelor de aer comprimat în anii 1960 , de fapt creșterea consumului și, prin urmare, a puterii instalate a necesitat utilizarea dispozitivelor.capabile să spargă curenți mai mari de 40 kA , care a fost capacitatea maximă de rupere posibilă cu întrerupătoarele de ulei de înaltă tensiune.
În anii 1970 , costul mai redus și simplitatea întreruptoarelor SF 6 le-au permis să suplinească la rândul lor dispozitivele de aer comprimat, cele două tehnici făcând posibilă obținerea celor mai mari capacități de rupere., 50 sau 63 kA , necesare atunci în înaltă tensiune.
În medie tensiune, dispozitivele de ulei au fost înlocuite cu dispozitive SF 6 sau cu vid , deoarece acestea din urmă au performanțe superioare de rupere, rezistență electrică extinsă și necesită mai puțină întreținere în exploatare.
Consumul de energie electrică și, în consecință, necesitățile de putere instalată și echipamente de înaltă tensiune au crescut brusc din 2005 , acest lucru este în special cazul în China, unde puterea instalată este de 600.000 M W în 2006 și se așteaptă să ajungă la 1.300 GW în 2020, China va fi atunci au cea mai mare capacitate instalată din lume și ar trebui să o depășească pe cea a Statelor Unite . La rândul său, India intenționează să-și înmulțească cu 3 puterea instalată între 2012 și 2025, va fi apoi de 600 GW și va pune în funcțiune o rețea de transmisie de înaltă tensiune de 800-1.200 kV-AC și 800 kV HVDC .
Echipamentele electrice de înaltă tensiune pot fi clasificate în mai multe categorii în funcție de funcția, tensiunea, destinația, instalarea și tipul de izolație .
Acestea sunt mai presus de toate dispozitivele de siguranță utilizate pentru a deschide sau închide un circuit atunci când nu sunt traversate de un curent . Acestea sunt utilizate pentru a izola un ansamblu de circuite, un dispozitiv, o mașină, o secțiune a liniei aeriene sau a unui cablu , astfel încât personalul de operare să le poată accesa în siguranță.
Deschiderea separatoarelor de linie sau de bare (conductorii care conectează alimentarea cu energie de la o stație de înaltă tensiune la diferitele componente interne) este necesară pentru a asigura siguranța, dar nu este suficientă., De asemenea, este necesar să faceți legarea la pământ în amonte și în aval de dispozitiv asupra căreia se dorește să se intervină. Prin urmare, se face o distincție între separatoare, vorbind în mod corespunzător, și separatoare de împământare (sau MALT sau întrerupător de împământare) care împreună contribuie la siguranța unei porțiuni a rețelei electrice.
În principiu, separatoarele nu trebuie să întrerupă curenții, cu toate acestea este posibil să fie necesari anumiți separatori pentru a tăia curenții de transfer al barei (până la 1600 A la 10 până la 300 V ) și anumite întrerupătoare de împământare trebuie să poată tăia curenții induși care pot circula în linii dezactivate prin cuplare capacitivă și inductivă cu liniile energizate adiacente (până la 160 A la 20 kV ).
ComutatoareCele Comutatoarele sunt dispozitive destinate să stabilească și să rupă un circuit în condiții normale de încărcare . Performanțele lor sunt totuși limitate, deoarece sunt capabile să stabilească un curent de scurtcircuit, dar nu îl pot întrerupe în niciun caz.
Anumite comutatoare sunt proiectate să îndeplinească și funcțiile de deconectare.
ContactoriContactorii au un rol comparabil cu cel al comutatoarelor, dar sunt capabili să funcționeze la rate foarte mari. Au o mare rezistență electrică și o mare rezistență mecanică.
Contactoarele sunt folosite pentru a opera frecvent echipamente precum cuptoare, motoare de înaltă tensiune . Nu pot fi folosite ca secționatoare.
Se găsesc numai în HTA .
Siguranțe de întrerupătoareSiguranțele sunt utilizate pentru a întrerupe automat un circuit cu supracurent într-un anumit interval de timp. Întreruperea curentului se obține prin fuziunea unui conductor metalic calibrat.
Acestea sunt utilizate în principal pentru protecția împotriva scurtcircuitelor în care limitează valoarea de vârf a curentului de defecțiune.
În modul trifazat , ele elimină doar fazele traversate de un curent de defect, care poate prezenta un pericol pentru echipamente și personal. Pentru a depăși acest dezavantaj, siguranțele pot fi asociate cu comutatoare sau contactoare cu care acestea constituie combinații capabile să ofere protecție în cazul unei suprasolicitări a rețelei sau a scurtcircuitelor.
Se găsesc numai în HTA .
Întrerupătoare de circuitUn întreruptor de înaltă tensiune este destinat să stabilească, să reziste și să întrerupă curenții sub tensiunea sa nominală (tensiunea maximă a rețelei electrice pe care o protejează) în același timp:
În virtutea caracteristicilor sale, un întrerupător este dispozitivul esențial de protecție al unei rețele de înaltă tensiune , deoarece este singurul capabil să întrerupă un curent de scurtcircuit și, prin urmare, să împiedice deteriorarea echipamentului conectat la rețea. circuit. Standardul internațional IEC 62271-100 definește cerințele pentru caracteristicile întreruptoarelor de înaltă tensiune.
În configurația lor actuală, întreruptoarele automate pot fi echipate cu dispozitive electronice care permit starea lor să fie cunoscută în orice moment (uzură, presiunea gazului pentru oprire etc.) și posibil să detecteze defecțiuni prin variații de caracteristici, ceea ce permite operatorului să programeze operațiuni de întreținere și prevenirea riscului de avarie.
Pentru funcționarea liniilor lungi, întreruptoarele sunt în general echipate cu rezistențe de închidere pentru limitarea supratensiunilor .
De asemenea, pot fi echipate cu dispozitive de sincronizare de închidere și / sau deschidere pentru a limita supratensiunile sau curenții de intrare pentru funcționarea liniilor, a transformatoarelor fără sarcină , a reactoarelor de șunt și a băncilor de condensatoare .
Dispozitivele au fost concepute pentru a îndeplini funcțiile de întrerupător și de deconectare, acestea sunt numite întrerupătoare de circuit. Utilizarea lor este totuși limitată.
Conform standardului internațional IEC 62271, tensiunea înaltă este, pentru curenți alternativi , orice tensiune mai mare de 1 kV .
Deși următorii termeni nu sunt standardizați, aceștia sunt utilizați în limbajul cotidian:
Tensiunea nominală a unui dispozitiv este valoarea maximă a rețelei în care poate funcționa. Valorile tensiunii nominale au fost armonizate între standardele IEC și ANSI / IEEE :
Nivelul de tensiune nominală de 800 kV este utilizat pentru dispozitivele în serviciu în rețelele din Rusia , AEP în Statele Unite , Hydro-Quebec în Canada , EDELCA în Venezuela , Furnas în Brazilia , ESKOM în Africa de Sud și State Grid Corporation din China în China .
Nivelul maxim de tensiune pentru țările din Comunitatea Europeană este de 420 kV ; acest nivel este cel mai economic, ținând cont de puterea schimbată și de lungimea liniilor de interconectare. Un studiu a fost făcut la începutul anilor 1970 în Italia pentru o rețea de 1.100 kV , dar acest proiect nu a avut succes, deoarece prognoza inițială pentru o creștere a consumului de energie electrică a fost revizuită în jos după șocul petrolului din 1973 .
Nivelurile de tensiune 1100 kV și 1200 kV sunt în curs de standardizare de către IEC.
Aparatul de distribuție de înaltă tensiune este destinat să funcționeze în principal în trei tipuri de rețele sau instalații electrice, în funcție de obiectivele de transport, distribuție și utilizare a distribuției.
Scopul rețelelor de transport (pentru tensiuni peste 52 kV ) este de a transporta energie din marile centre de producție către regiunile care consumă energie electrică. Marile puteri tranzitate necesită linii electrice cu capacitate mare de tranzit, precum și o structură de plasă (sau interconectată). Rețelele de plasă garantează o siguranță foarte bună a alimentării, deoarece pierderea oricărui element (linia de alimentare, transformatorul sau grupul de generație) nu duce la nicio întrerupere a energiei dacă operatorul rețelei de transport respectă regula. Cunoscut sub numele de „N-1” (posibilitatea de a pierde orice element al rețelei fără consecințe inacceptabile pentru consumatori).
În rețelele de distribuție furnizează alimentare cu energie electrică la nivel regional. Energia este injectată acolo în principal de rețeaua de transport prin intermediul stațiilor de înaltă tensiune, dar și de centralele electrice medii (mai puțin de aproximativ 100 MW ). Rețelele de distribuție sunt distribuite destul de uniform pe teritoriul unei regiuni.
La rețelele de distribuție (pentru tensiuni mai mici sau egale cu 52 kV ) sunt destinate să furnizeze tuturor consumatorilor. Spre deosebire de rețelele de transport și distribuție, rețelele de distribuție prezintă o mare diversitate de soluții tehnice atât în funcție de țările în cauză, cât și în funcție de densitatea populației. Rețelele de medie tensiune (MT) au în cea mai mare parte o structură de copac, care permite o protecție simplă și ieftină. De la o stație de sursă, ea însăși alimentată de rețeaua de distribuție, energia electrică circulă printr-o arteră pe care sunt conectate direct ramuri de ocolire la capătul cărora sunt stațiile de distribuție publică MT / BT. Acestea alimentează rețelele de joasă tensiune (LV) la care sunt conectați cei mai mici consumatori. Structura arborescentă a acestor rețele implică faptul că o defecțiune la o linie electrică MT duce în mod necesar la oprirea clienților furnizați de această linie, chiar dacă există posibilități de urgență mai mult sau mai puțin rapide.
Instalațiile industriale (3,6 până la 24 kV ) sunt, de exemplu, utilizate în industriile care produc substanțe chimice sau materiale ( topitoriile de aluminiu ) și , de exemplu, în instalațiile feroviare ).
Există două cazuri:
În domeniul HVB , echipamentele electrice au fost în mod tradițional instalate în aer liber, aerul jucând un rol esențial de izolare, de exemplu pentru izolația fază-fază. În același timp, începând cu anii 1970 , s-a dezvoltat o a doua tehnologie, cunoscută sub numele de „într-o incintă metalică” sau „izolată cu gaz”, unde gazul hexafluorură de sulf (SF 6 ) joacă un rol predominant pentru izolație. În această tehnologie, toate echipamentele sunt încapsulate și izolate în SF 6 . Această tehnologie necesită o amprentă mai mică, permite instalarea ușoară în clădiri și permite o mai bună fiabilitate și disponibilitate a echipamentului.
În domeniul MT , se găsesc și aceste 2 tehnologii, dar tehnologia încapsulată în SF 6 este mai rară și deseori rezervată pentru aplicații care necesită fie fiabilitate ridicată, fie compactitate ridicată. Indiferent de tehnologie, echipamentul este în general instalat în celule , dulapuri metalice modulare care sunt asamblate și legate între ele. Aceste celule sunt instalate în clădiri. Aparatele de distribuție MT instalate în aer liber sunt rare în stațiile de sursă , dar sunt frecvente în distribuția rurală, în special cu întrerupătoarele instalate în partea superioară a stâlpilor electrici .
În funcție de tehnica de izolare utilizată, se disting trei tipuri de echipamente:
Trebuie reamintit faptul că o stație electrică este alcătuită din echipamente electrice, dar și posibil din alte echipamente de înaltă tensiune: transformatorul (transformatoarele) , descărcătoarele de supratensiune (inițial la o linie și pentru a proteja transformatorul), cablurile de înaltă tensiune, dispozitivele FACTS , etc. Așa cum se arată în figurile de mai jos, conexiunea la liniile aeriene ale echipamentului ecranat sau compact se realizează prin intermediul unor izolatoare , numite avansuri aeriene atunci când îndeplinesc această funcție.
245 kV întreruptoare într-o stație AIS
420 kV ecranat (GIS)
Aparat de comutare compact 145 kV 40 kA
Pentru a -și îndeplini funcțiile de izolare și de deconectare, mai multe tehnici au fost dezvoltate de la crearea de echipamente de înaltă tensiune , la sfârșitul XIX - lea secol. În timp ce izolarea părților sub tensiune față de pământ se face în aer și / sau în SF 6 , au fost utilizate mai multe tehnici pentru izolarea între contacte și pentru rupere prin comutarea dispozitivelor (de exemplu, întrerupătoare de circuit).
Din punct de vedere istoric, mediile utilizate pentru tăiere și izolare sunt:
Aparatele electrice de înaltă tensiune trebuie să aibă un nivel suficient de izolație pentru a se asigura că pot rezista la supratensiunile necesare în exploatare, fie cu privire la pământ, fie între bornele de intrare și ieșire ale dispozitivului.
În plus, dispozitivele de conectare (de exemplu întrerupătoare și întrerupătoare de circuit) trebuie să poată stabili și întrerupe curentul în condițiile stabilite de standardele internaționale. Tăierea unui curent electric de către un întrerupător de înaltă tensiune se obține prin separarea contactelor într-un gaz ( aer , SF 6 etc.) sau într-un mediu izolator (de exemplu ulei sau vid ). După separarea contactelor, curentul continuă să curgă în circuit printr-un arc electric care este stabilit între contactele dispozitivului. Suflarea intensă se exercită asupra arcului pentru a-l răci și pentru a provoca stingerea acestuia atunci când temperatura mediului în care este pornit arcul este suficient de scăzută pentru a se întrerupe conducerea curentului. Pentru dispozitivele de conectare la curent alternativ de înaltă tensiune, curentul este întrerupt atunci când puterea furnizată arcului de rețea este cea mai mică, adică în timpul unei treceri zero a curentului (pentru o secundă și pentru o rețea de 50 Hz , o curentul alternativ trece de 100 de ori prin zero).
Spre deosebire de întrerupătoarele construite pentru a tăia curenți mari de defect (scurtcircuite sau secvență zero), tăierea unui curent printr-un comutator, construit pentru a tăia un curent nominal (nominal), nu necesită suflare la fel de intensă, deoarece curentul de curent este semnificativ mai mic. În general, este suficient să se extindă rapid arcul pentru a-i permite să obțină stingerea și apoi să reziste la tensiunea restabilită la bornele aparatului.
Un separator nu are capacitate de rupere deoarece funcția sa nu este de a tăia sau de a stabili un curent, ci de a izola electric o parte a rețelei sau a instalației. Anumite separatoare pot avea totuși o capacitate de rupere pentru a reduce curenții reziduali.
De la începutul XX - lea secol, ulei a fost folosit ca fluid pentru dispozitive de comutare și de izolare, în special pentru întrerupătoare de circuit de înaltă tensiune.
Când un arc este lovit în ulei, se produc mai multe tipuri de gaze, cum ar fi hidrogenul și acetilena . Evaporarea uleiului face posibilă generarea unei suflări a arcului care îl va răci și va întrerupe curentul. Primele întreruptoare cu ulei aveau volume mari de ulei cu două elemente de comutare în serie într-un rezervor metalic.
După cel de-al doilea război mondial , acestea au fost înlocuite cu dispozitive cu volum redus de ulei, care sunt mai economice și prezintă un risc mai mic de incendiu sau explozie dacă tăierea eșuează.
Întreruptoarele cu volum redus de ulei cu două întrerupătoare în serie pe pol au fost dezvoltate pentru a echipa prima rețea de 420 kV din lume , în special linia Harsprånget - Hallsberg din Suedia , comandată în 1952 .
Întrerupătoarele de aer comprimat au înlocuit întrerupătoarele de ulei în câmpul de performanță ridicat datorită rezistenței dielectrice ridicate și proprietăților termice bune ale fluidului utilizat. Aerul comprimat la o presiune de 20 până la 35 bar este evacuat în interiorul duzelor pentru a permite o răcire eficientă a arcului.
Au fost dezvoltate de la începutul anilor 1950 și începând cu 1960 au obținut cele mai mari performanțe necesare rețelelor de înaltă tensiune care se dezvoltau la acea vreme: 525 kV 25.000 MVA pentru rețeaua rusă, legătura Moscova - Volgograd atunci fiind primul din lume operat cu acest nivel de tensiune.
Aceste întrerupătoare de circuit sunt prevăzute cu rezistențe care sunt introduse în circuit la deschidere pentru a reduce eforturile de rupere a curenților puternici și, de asemenea, pentru a limita supratensiunile care pot fi generate în timpul ruperii.
Întreruptoarele cu aer comprimat au de mult timp monopolul performanțelor foarte ridicate: capacitate de rupere de până la 100 kA , timp de rupere redus, nivel scăzut de supratensiune datorită utilizării rezistențelor pentru închidere. Cu toate acestea, aceste întreruptoare necesită întreținere periodică, în special cea a compresoarelor .
Tehnologia aerului comprimat este încă singura utilizată pentru întrerupătoarele de generator cu capacitate de rupere foarte mare (275 kA la 36 kV ).
Tehnica de comutare SF 6 a fost dezvoltată în tensiune înaltă la sfârșitul anilor 1950 , a dat naștere primelor aplicații de 245 kV în anii 1960 (ecranat Station Vaise în 1966 ), apoi este impusă și a devenit tehnica utilizată pentru toate evoluția tensiunii din anii 1970 .
Din punct de vedere tehnic, mai multe caracteristici ale întreruptoarelor SF 6 pot explica succesul lor:
Principiile de rupere care au fost dezvoltate în tensiune înaltă sunt prezentate în articolul aferent: Întreruptor de înaltă tensiune cu SF 6 .
Tehnica de tăiere auto-suflare a făcut posibilă utilizarea unor elemente de acționare cu arc cu consum redus de energie pentru acționarea întrerupătoarelor de înaltă tensiune. Această tehnică a fost aplicată pentru prima dată în anii 1990 - 2000 , apoi a devenit răspândită până la 800 kV
Proprietățile foarte bune ale SF 6 au dus la extinderea tehnicii SF 6 la tensiuni din ce în ce mai mari de până la 800 kV și în curând sub 1.100 kV în China .
Primele cercetări și brevete privind becurile de vid (comutatoare) au fost făcute de către Institutul de Tehnologie din California în jurul anului 1926 . Primele aplicații industriale au fost realizate la sfârșitul anilor 1950, când s-au rezolvat dificultățile tehnologice de implementare, în special garanția unui vid ridicat de cel puțin douăzeci de ani, care necesită o etanșare perfectă a becului.
În prezent, dispozitivele care încorporează întrerupătoare de vid sunt în funcțiune până la 84 kV , în Japonia , capacitatea de rupere a întrerupătorului de vid poate ajunge la 63 kA .
Standardul IEC 60694 (viitor 62271-1 ) definește caracteristicile aplicabile aparatelor de comutare de înaltă tensiune. Acesta enumeră caracteristicile cărora trebuie să le fie atribuită o valoare, în general de către producător, pentru condițiile de funcționare specificate ale aparatului de distribuție. Caracteristicile nominale sunt în principal:
Nivelul de izolație al unui dispozitiv este definit de mai multe valori:
Echipamentul electric este supus în funcțiune acestor trei tipuri de tensiune (și la combinația lor între intrare / ieșire).
Calificarea (tipul) și testele de rutină (pe dispozitivele fabricate) sunt efectuate pentru a verifica acest nivel de izolație. Acestea sunt efectuate între fază și pământ, între faze și între bornele dispozitivului deschis.
Tensiune nominală (kV) | Rezistență la tensiune la frecvența de putere, fază-pământ și fază-la-fază (kV) | Frecvența de putere rezistă la tensiune, între contactele deschise (kV) | Tensiune de rezistență la impuls fulger, pământ de fază (kV) | Impulsia fulgerului rezistă la tensiune, între contactele deschise (kV) | Tensiune de rezistență la impulsuri de comutare, fază-pământ (kV). | Șocul de funcționare rezistă la tensiune, între contactele deschise (kV). |
---|---|---|---|---|---|---|
12 | 28 | 28 | 75 | 75 | - | - |
24 | 50 | 50 | 125 | 125 | - | - |
72,5 | 140 | 140 | 325 | 325 | - | - |
245 | 460 | 460 | 1050 | 1050 | - | - |
420 | 520 | 610 | 1425 | 1665 | 1050 | 1245 |
800 | 830 | 1150 | 2100 | 2555 | 1550 | 1825 |
Valori mai mari pentru rezistența dintre contactele deschise sunt specificate pentru separatoare, deoarece acestea trebuie să îndeplinească cerințele de siguranță.
Pentru dispozitivele cu o tensiune mai mare de 245 kV , impulsul fulgerului (sau comutarea) rezistă la tensiunea dintre contactele deschise este testat prin aplicarea unui șoc fulger (sau comutator) la un terminal și o tensiune la frecvența de alimentare (50 Hz sau 60 Hz ) pornită celălalt terminal. De exemplu, în cazul unui dispozitiv cu o tensiune nominală de 800 kV , tensiunea de 2 555 kV indicată în tabelul de mai sus se obține prin aplicarea unui impuls fulger de 2 100 kV la un terminal și o tensiune de 455 kV la alt terminal. Acest lucru face posibilă reproducerea situației reale în serviciu în care tensiunea impulsului fulger este transmisă la un terminal al dispozitivului în timp ce tensiunea rețelei este aplicată celuilalt terminal.
Valorile normale ale frecvenței atribuite aparatului de înaltă tensiune sunt 50 Hz și 60 Hz . Ele sunt de departe cele mai utilizate, utilizarea uneia sau altei valori rezultă din alegerile făcute istoric atunci când valorile au fost raționalizate. Cu puțin înainte de 1892 , Westinghouse din Statele Unite a optat pentru 60 Hz , în timp ce AEG din Germania a optat pentru 50 Hz în 1899 , ducând la o lume în mare parte redusă la jumătate. Japonia are rețele în 50 Hz și 60 Hz .
Alte valori ale frecvenței sunt uneori utilizate pentru tracțiunea feroviară: 16 2/3 Hz și 25 Hz . Germania , Austria și Elveția utiliza o singură fază de curent alternativ 16 2/3 Hz pentru linia de alimentare. Frecvența de 25 Hz a fost utilizată pe unele linii feroviare germane ( Mariazeller Bahn ) și pe unele linii din New York și Pennsylvania ( Amtrak ) din Statele Unite .
Curentul continuu nominal este curentul pe care un dispozitiv îl poate rezista la nesfârșit în condiții normale de funcționare. Componentele unui dispozitiv electric se încălzesc când trece curent, temperatura nu trebuie să depășească valorile limită definite de standarde, astfel încât materialele să își păstreze caracteristicile mecanice.
Valorile posibile ale curentului nominal trebuie alese din următoarea serie Renard (sau cu multiplii lor cu zece):
160 - 200 - 250 - 400 - 630 - 800 - 1250 - 1600 - 2000 - 2500 - 3150 - 4000 ACurentul pe termen scurt care trebuie să fie rezistat de un dispozitiv în funcțiune este caracterizat de doi parametri: amplitudinea maximă a curentului la stabilirea unui curent de scurtcircuit, precum și valoarea RMS a curentului de scurtcircuit. să fie acceptat pentru un timp specificat.
Când apare un scurtcircuit într-o rețea la o trecere zero a tensiunii, se spune că curentul stabilit este asimetric deoarece este sub forma unui decalaj sinusoidal de la linia zero. Dispozitivul trebuie să reziste la amplitudinea maximă a curentului, apoi a curentului pentru o perioadă de 1 sau 3 secunde, în funcție de specificațiile operatorului de rețea.
Raportul dintre amplitudinea maximă a curentului și valoarea efectivă a curentului de scurtcircuit depinde de constanta de timp (L / R) a rețelei și de frecvența nominală. Este egal cu:
2,5 pentru rețele de 50 Hz cu o constantă de timp de 45 ms; 2,6 pentru rețele de 60 Hz cu o constantă de timp de 45 ms; 2.7 pentru aplicații speciale cu o constantă de timp mai mare de 45 ms.În ceea ce privește temperatura de funcționare și în conformitate cu standardul IEC, aparatul de comandă este proiectat să funcționeze în următoarele condiții normale de funcționare:
Pentru a asigura funcționarea corectă la temperatură foarte scăzută, presiunea SF 6 trebuie redusă și trebuie luate măsuri speciale pentru a permite dispozitivului de operare să funcționeze corect și pentru a asigura o etanșare bună .
Funcționarea la temperatura ridicată a aerului ambiant necesită asigurarea faptului că temperatura și creșterea temperaturii componentelor nu depășesc limitele admise stabilite de standarde.
În proiectarea echipamentului trebuie luate în considerare alte condiții specifice de serviciu: vânt, poluare, cutremure etc.
Testele de tip sau testele de evaluare a tipului se efectuează pentru a demonstra că un aparat are caracteristicile nominale care i-au fost atribuite. Sunt realizate pe exemplare reprezentative identificate corespunzător.
Aceste teste sunt efectuate pe un dispozitiv nou și fac obiectul rapoartelor de testare care conțin identificarea specimenului supus testului și toate informațiile care permit demonstrarea faptului că dispozitivul a îndeplinit cerințele standardelor în vigoare. Specificațiile comune aparatelor de comutare de înaltă tensiune sunt definite în standardul 62271-1 . Cerințele specifice fiecărui tip de echipament sunt specificate în standardele produsului, cum ar fi IEC 62271-100 pentru întrerupătoarele de înaltă tensiune.
Luând în considerare valorile ridicate ale tensiunilor și / sau curenților necesari, testele dielectrice și de rupere ale aparatului de comutare de înaltă tensiune trebuie efectuate în laboratoare specializate.
Așa-numitele teste de rutină sunt, de asemenea, efectuate pentru a controla calitatea producției, acestea constând în principal din teste mecanice pentru verificarea caracteristicilor funcționale, teste dielectrice de rezistență la frecvența de putere și o verificare a etanșeității.pentru dispozitivele SF 6 .
Când un dispozitiv este asamblat pentru prima dată pe șantier, acesta trebuie să fie supus și testelor de punere în funcțiune (verificarea caracteristicilor funcționale și / sau teste dielectrice).
Scopul testelor de tip dielectric este de a verifica nivelul de izolație nominal al unui dispozitiv electric. Dacă câmpul electric depășește puterea dielectrică a dispozitivului, are loc o defecțiune (sau descărcare perturbatoare), iar dispozitivului îi pot fi schimbate proprietățile fizice într-un mod reversibil sau ireversibil. În cazul dispozitivelor de înaltă tensiune, suportul dielectric trebuie să se regenereze după orice defecțiune din cauza unei supratensiuni excesive, astfel încât să se asigure continuitatea serviciului după eliminarea defecțiunii.
Rezistența dielectrică trebuie verificată în următoarele condiții:
Dispozitivele care utilizează gaz sub presiune pentru izolare trebuie testate în cel mai rău caz, adică cu presiunea minimă a gazului.
Teste de tensiune impuls impulsive
Aceste teste sunt necesare pentru toate tensiunile nominale și sunt efectuate numai pe un dispozitiv uscat. Conform procedurii IEC, se aplică o serie de 15 șocuri pentru fiecare configurație de testare și pentru fiecare polaritate a tensiunii. Testele de tensiune impuls impulsive sunt satisfăcătoare dacă numărul descărcărilor perturbatoare nu depășește două în timpul fiecărei serii de 15 șocuri.
O undă de șoc fulger este caracterizată printr-un front foarte rapid, vârful de tensiune este atins după aproximativ 1,2 microsecunde. Valoarea tensiunii de vârf este definită de standardul IEC în funcție de tensiunea nominală, valorile sunt date cu titlu de exemplu în tabelul din capitolul Nivel nominal de izolație .
Comutarea testelor de tensiune impuls
Aceste teste sunt necesare numai pentru tensiuni nominale peste 245 kV . Acestea sunt efectuate, uscate și în ploaie, pentru ambele polarități de tensiune. Conform procedurii IEC, se aplică o serie de 15 șocuri pentru fiecare configurație de testare. Criteriile pentru promovarea testelor sunt aceleași ca și pentru testele de tensiune la impuls.
Timpul de creștere al unei unde de șoc de manevră este mult mai lent decât cel al unei unde de șoc fulger, de ordinul a 250 microsecunde. La o tensiune de vârf egală, rezistența la tensiune a unei izolații este în general mai mică cu acest tip de undă de șoc.
Încercări de tensiune de frecvență de putere
Scopul acestor teste este de a verifica rezistența dispozitivului în cazul apariției unei supratensiuni la frecvență industrială (50 sau 60 Hz ) în rețea, de exemplu în urma unei pierderi de sarcină . Sunt necesare pentru toate tensiunile nominale. Conform standardului IEC, este necesar să țineți un minut în condiții uscate și în ploaie. Nu este permisă șoc electric (sau descărcare perturbatoare) în timpul testului uscat. Testul de ploaie poate fi repetat dacă are loc o descărcare, dar nu este permisă nicio descărcare suplimentară.
Scopul acestor teste este de a verifica dacă nu există o încălzire excesivă a părților unui dispozitiv atunci când acesta își continuă curentul nominal în funcțiune continuă. Tabelul următor oferă o indicație a temperaturii maxime admisibile și a valorilor de creștere a temperaturii pentru echipamentele electrice.
Tipuri de piese | Valoarea maximă a temperaturii (° C) | Creșterea temperaturii maxime (K) |
---|---|---|
Contacte de cupru în SF 6 | 105 | 65 |
Terminale pentru conectarea la conductoare externe | 90 | 50 |
Piese accesibile proiectate pentru a fi atinse în condiții normale de service | 70 | 30 |
Testele se efectuează prin menținerea curentului necesar la o tensiune redusă și prin măsurarea creșterilor de temperatură obținute în diferite puncte ale dispozitivului până când valorile se stabilizează, în general după zece ore de menținere a curentului.
Scopul testelor de rezistență mecanică este de a verifica robustețea unui dispozitiv și capacitatea acestuia de a funcționa normal pe toată durata de viață, adică timp de aproximativ 25 de ani. La sfârșitul duratei sale de viață, trebuie să fie capabil să își conducă curentul nominal în funcțiune continuă, să reziste curentului său admisibil pe scurt timp și să își mențină nivelul de izolație nominal.
În timpul testelor de rezistență, dispozitivul trebuie să funcționeze numai la comandă și caracteristicile sale funcționale trebuie să rămână în limitele toleranțelor date de producător. După teste nu trebuie să existe o uzură excesivă a pieselor, în special a contactelor.
De exemplu, pentru un întrerupător, dispozitivul trebuie să efectueze 2.000 de cicluri de funcționare la temperatura ambiantă, un ciclu de funcționare fiind o operație de deschidere a întrerupătorului, urmată de o operație de închidere (aceasta este una dintre secvențele de funcționare pe care dispozitivul trebuie să le efectueze în service , deoarece după ce a deschis un circuit, separându-i contactele, trebuie să fie capabil să îl închidă din nou pentru a permite curentului să curgă din nou și, de exemplu, pentru a alimenta o sarcină).
În cazuri speciale, poate fi necesară o rezistență mecanică extinsă cu 10.000 de cicluri de funcționare.
La cerere, testele mecanice pot fi efectuate și la temperaturi scăzute și ridicate. Scopul lor este apoi de a verifica funcționarea corectă și etanșeitatea în condiții de temperatură extremă.
Aceste teste de rezistență mecanică, care se adaugă celorlalte teste de tip descrise mai sus, asigură o fiabilitate foarte bună în exploatare, cu o rată scăzută de incidente majore, așa cum a fost verificat de studiile efectuate periodic de CIGRE . În consecință, nu a existat niciun accident major pe rețelele de înaltă tensiune care ar putea fi atribuite unei defecțiuni la aparatul de distribuție, pierderile semnificative de alimentare într-o rețea ( întrerupere ) se datorează în general defecțiunilor pe linii și pierderii unei părți a rețelei. prin suprasarcină în cascadă pe celelalte linii.
Testele specifice pentru fiecare funcție de comutare sunt specificate de standardele din seria IEC 62271 și de standardele ANSI / IEEE. Acestea sunt, de exemplu:
În plus, pot fi necesare teste suplimentare în funcție de condițiile de funcționare, de exemplu teste de rezistență la cutremur sau teste de funcționare sub gheață pentru secționatoarele de stații AIS.
Testele de calificare seismică sunt efectuate la cererea clientului pentru a verifica capacitatea unui dispozitiv de a rezista la un cutremur de accelerație la sol dat (0,2 - 0,3 sau 0,5 g , unde g denotă accelerația datorată gravitației ). O demonstrație de calcul este suficientă , în principiu , dacă aceasta se bazează pe o verificare experimentală a Modurile proprii și asociate dampings . În cazul unui cutremur puternic (0,5 g ), sunt necesare teste la scară completă pe o masă vibrantă dacă dimensiunile dispozitivului o permit. Acestea constau dintr-un test de măturare a frecvenței în fiecare direcție pentru a determina modurile naturale de vibrație și amortizarea lor și teste de rezistență dinamică de 30 de secunde sau un minut. Pentru întrerupătoare, IEC a publicat ghidul de calificare seismică TR 62271-300.
Standardul IEC definește o serie de cerințe care trebuie îndeplinite de producător la proiectarea echipamentului. Acestea privesc echipamentele auxiliare și de control, conexiunea la pământ , carcasele dispozitivelor de tip ecranat, dispozitivele de acționare, dispozitivele de blocare, izolatoarele exterioare, etanșeitatea , riscul de incendiu, compatibilitatea electromagnetică (CEM) și coroziunea .
În cazul vaselor sub presiune de gaz autonome (fără compresor ), rata relativă de scurgere a fiecărui compartiment nu trebuie să depășească 0,5% și 1% pe an pentru SF 6 și amestecurile care conțin SF 6 . Aceste valori sunt rezultatul dorinței industriei electrice de a reduce semnificativ posibilele scurgeri în atmosferă. Intervalul dintre reîncărcări ar trebui să fie de cel puțin 10 ani pentru dispozitivele care utilizează SF 6 .
Recipientele sub presiune sigilate sunt de așa natură încât nu este necesară umplerea gazului pe durata de viață preconizată de 20 de ani, 30 de ani sau 40 de ani. Rata de scurgere a celor umplute cu SF 6 poate fi considerată a fi mai mică de 0,1% pe an.
Numărul marilor producători de aparate de distribuție de înaltă tensiune este relativ redus, deoarece s-au făcut numeroase regrupări / achiziții în anii 1990/2000. Pentru transmisia energiei, principalii producători sunt: ABB , Siemens , Toshiba , Mitsubishi și HVB AE Power Systems (ex Hitachi) . În domeniul distribuției energiei trebuie să adăugăm în principal Schneider Electric și Eaton / Cutler-Hammer.
În ceea ce privește Franța, producătorii fac parte dintr-un grup numit Gimélec (Grupul de industrii de echipamente electrice, comandă de control și servicii asociate); principalii producători sunt Alstom, SDCEM, Siemens, Schneider Electric, CAHORS, EGIC, Ferraz Shawmut și Ormazabal. Pentru profesia în ansamblu, cifra de afaceri din 2006 din Franța s-a ridicat la 10,7 miliarde de euro .
La nivel european, producătorii de echipamente electrice fac parte din T&D Europe și ORGALIME ( Asociația Europeană a Industriilor de Inginerie care reprezintă interesele industriilor mecanice, electrice, electronice și de prelucrare a metalelor ).
T&D Europe reunește asociații naționale de producători, precum Gimélec în Franța și 550 de producători din Austria, Belgia, Finlanda, Franța, Germania, Italia, Olanda, Spania și Regatul Unit. Companiile angajează în total 200.000 de oameni în Europa și au o cifră de afaceri combinată de 25 de miliarde de euro.
În tensiunea înaltă B , utilizatorii sunt în principal companii care produc electricitate precum EDF sau care transportă energie electrică precum RTE . Au avut loc consolidări între utilizatorii de dispozitive de înaltă tensiune în urma liberalizării pieței energiei electrice, mai multe piețe naționale au rămas în mod tradițional dominate de câteva companii de stat. Printre utilizatorii principali, mai putem menționa: RWE și E.ON în Germania , Tokyo Electric Power în Japonia , State Grid Corporation din China în China , Power Grid Corporation din India în India , Enel și Terna în Italia , Edelca în Venezuela , Furnas în Brazilia , ESCOM în Africa de Sud , Hydro-Quebec și BC Hydro în Canada și AEP, Tennessee Valley Authority , Bonneville Power Administration (BPA) în Statele Unite .
Situația este semnificativ diferită în tensiunea înaltă A, cu companii mari de distribuție a energiei electrice, de exemplu , EDF , dar și mulți producători care sunt alimentați cu o tensiune de 10 până la 22 kV , sau mai rar cu tensiune înaltă B. Companiile feroviare sunt, de asemenea, utilizatori majori a echipamentelor electrice de înaltă tensiune.
Utilizatorii și producătorii europeni sunt grupați în Eurelectric ( Asociația industriei energiei electrice din Europa: producători, furnizori, comercianți și distribuitori de energie electrică din UE și din alte țări europene ).
În Australia , unde piața echipamentelor electrice de înaltă tensiune este de aproximativ 1,8 miliarde de euro, mulți utilizatori transportă și distribuie energie electrică în funcție de regiune sau stat, unul dintre principalii fiind Transgrid în New South Wales .
În China consumul de energie electrică și, în consecință, necesitățile de energie instalată și echipamente de înaltă tensiune cresc cel mai rapid; capacitatea instalată este de 600.000 MW ( mega wați ) în 2006 și ar trebui să ajungă la 1.300.000 MW în 2020. Prin comparație, o unitate de centrală nucleară furnizează aproximativ 1.200 MW. Pentru a face față creșterii consumului și transportului energiei electrice pe distanțe mari, China intenționează să pună în funcțiune în 2008 o rețea de înaltă tensiune de 1.100 kV .
Statele Unite au în decembrie 2005un sfert din capacitatea instalată din lume cu 1.067.000 MW sau 1.067 terawați , capacitatea acestora ar trebui să crească cu 292.000 MW până în 2030 pentru a satisface cererea consumatorilor.
Au fost efectuate studii pentru a evalua impactul asupra mediului al aparatelor de comutare de înaltă tensiune. Acestea urmăresc să măsoare acest impact de la fabricarea pieselor până la dezmembrarea produsului la sfârșitul duratei sale de viață. Software-ul EIME este de obicei folosit pentru a face acest tip de evaluare.
Studiile efectuate până în prezent au concluzionat că soluțiile actuale au un impact asupra mediului mai scăzut decât generațiile anterioare care au folosit aerul sau uleiul ca mediu pentru oprire și izolare. Mulți factori pot explica această reducere a impactului asupra mediului, printre care: reducerea dimensiunilor și a cantității de material utilizat pentru aparatul de distribuție, reducerea energiei de funcționare care a făcut posibilă utilizarea telecomenzilor. Arc care au un impact mai mic asupra mediului decât controalele oleopneumatice (ulei) utilizate în trecut.
În plus, aceste studii au arătat că este pierderile prin efectul Joule , care au cel mai mare impact asupra mediului, acest impact este , totuși , limitată în măsura în care rezistența unui dispozitiv de înaltă tensiune este doar în valoare de câteva zeci. De micro - ohmi .
Dintre diferitele tipuri de instalații, GIS și soluțiile compacte ar avea cel mai mic impact, datorită compactității lor, dar stațiile AIS rămân cele mai economice și rămân soluția cel mai des aleasă atunci când nu sunt disponibile. constrângeri de dimensiune sau poluare.
Echipamentele electrice de înaltă tensiune fac obiectul unor studii și standarde de către mai multe organizații internaționale, deoarece este un element important al oricărei rețele electrice de înaltă tensiune.
Comitetul de studiu A3 al CIGRÉ (Consiliul internațional al rețelelor electrice mari) organizează conferințe și desfășoară lucrări tehnice de anvergură mondială privind echipamentele de sub tensiune de înaltă tensiune, în special despre echipamentele electrice de înaltă tensiune. CIRED (Congresul Internațional al rețelelor electrice de distribuție) organizează conferințe bianuale pentru rețelele de distribuție fizice.
Comisia Electrotehnică Internațională (IEC), și mai precis comisia de studiu TC17, elaborează standarde pentru aparataj de înaltă tensiune , care sunt recunoscute în mai mult de 100 de țări.
Comitetul pentru echipamente IEEE ( IEEE Switchgear Committee ) studiază și scrie standarde pentru echipamentele electrice care sunt utilizate în principal în America de Nord . Standardele IEC și IEEE pentru echipamentele electrice de înaltă tensiune sunt în curs de armonizare.