Envisager une nouvelle application pour les isolateurs composites creux

Depuis leur introduction dans les années 1980, les isolateurs composites creux occupent une place importante dans les différents domaines d’application de la technique d’isolation haute tension, tels que les extrémités de câbles, les traversées, les isolateurs pour VT/CT, LTB et DTB, etc. Bien que la pénétration de l’application soit élevée, de nouvelles applications sont envisagées, celles dans lesquelles la version traditionnelle en céramique est la norme actuelle. Cet article présente l’approche dans l’établissement de la technique du noyau creux composite dans les supports isolants de station et met en évidence certaines considérations techniques observées lors de l’adaptation de la technique du noyau creux composite aux besoins particuliers de cette nouvelle application. 

A. Paysage 
Habituellement, pour les supports isolants de station, on suit la norme IEC 60273 « Caractéristiques des supports isolants d'intérieur et d'extérieur destinés à des installations de tension nominale supérieure à 1000 V ». Cependant, la dernière révision de 1990-02 ne couvre que les conceptions en céramique ou en verre qui doivent résister à des niveaux de tension provoqués par des chocs de foudre supérieurs à 325 kV (Um = 170 kV). Ce n’est que pour les niveaux inférieurs à 325 kV (Um = 170 kV) que des conceptions en matière organique sont également décrites, dont les éléments porteurs sont généralement basés sur des noyaux solides.

La norme IEC 62231 « supports isolants composites destinés aux postes à courant alternatif de tensions supérieures à 1 000 V jusqu’à 245 kV », en cours de révision, montre par procuration la limitation actuelle de la technique des composites pour certaines longueurs, ce qui constitue une contrainte de base pour les conceptions actuelles à noyau solide. 

Le contexte de normalisation décrit ci-dessus expose clairement la situation : les tensions du système pour les conceptions composites actuelles (à noyau solide) sont limitées, car les diamètres (et finalement la longueur) réalisés par cette technique sont limités. Des niveaux de tension plus élevés sont obtenus grâce à la technique de la céramique, pour laquelle une technique d'empilage est habituelle pour réaliser des hauteurs allant jusqu'à plusieurs mètres. Cette situation suggère évidemment que la technique du noyau creux composite est une option appropriée pour couvrir les applications de supports de station à des longueurs/niveaux de tension élevés, en utilisant les techniques de fabrication classiques pour les conceptions monophasées jusqu’à 12 mètres et même plus. 

B. Composite ou porcelaine  

Fondamentalement, il n’est pas possible de comparer dans le détail les conceptions composites et la technique en porcelaine, car les différentes propriétés techniques sont trop différentes et une comparaison directe créera de toute façon de la confusion et aboutira à des conclusions erronées. Les données d’application finales peuvent et doivent cependant être comparées d’office, dans la mesure où elles sont pertinentes pour le service, c’est-à-dire la déviation sous certaines charges, les charges de rupture, etc.

La figure 1 compare, à titre d'exemple pour un SPI C10-1050, les trois conceptions connues. Toutes sont conçues pour une charge de rupture par flexion en porte-à-faux de 10 kN et une tension de tenue aux chocs de foudre de 1 050 kV, la conception en porcelaine montre la plus petite déviation, mais de loin le poids le plus élevé des trois. La conception composite creux, qui doit faire référence dans cette comparaison, montre un poids légèrement inférieur à celui de la variante solide, avec une déviation plus petite remarquable. Les valeurs de flambage indiquées ont été calculées dans le cas
d'Euler 1, la valeur numérique du type composite creux est d’environ 50 tonnes.

Il convient de noter que dans l’exemple montré, la porcelaine utilise déjà la technique d’empilage, le composite à noyau solide se situe déjà dans la classe des longueurs supérieures tandis que la conception creuse est largement ouverte à un élargissement ultérieur en hauteur/tension, même sans empilement.

Les isolateurs composites creux ont été introduits avec succès dans plusieurs applications et leur comportement mécanique est bien connu et décrit dans la norme de produit correspondante, à savoir IEC 61462 « Isolateurs composites creux – Isolateurs avec ou sans pression interne pour utilisation dans des appareillages électriques de tensions nominales supérieures à 1 000 V – Définitions, méthodes d’essais, critères d’acceptation et recommandations de conception ». Lorsque l’on entre dans une application qui, traditionnellement, n'était possible qu'avec de la porcelaine, la question de la comparaison se repose une fois encore. 

En raison de la nature des différents matériaux, les propriétés mécaniques sont essentiellement différentes.  La porcelaine est pour ainsi dire un matériau « numérique », soit sain, soit cassé, alors que les matériaux composites commencent à s’endommager à partir d’un certain niveau de charge. Ceci est pris en compte dans les normes appropriées en définissant la limite de dommage au-delà de laquelle des destructions irréversibles peuvent se produire, mais toujours sans panne mécanique finale.

Ce qui précède est un fait acquis et constitue donc une question importante si l’on essaie de rendre les composites comparables aux porcelaines. Le chapitre sur la normalisation ci-dessous donne plus de détails sur ce point.

La légèreté des conceptions composites par rapport à la porcelaine en fait fondamentalement le premier choix dès qu'on envisage des applications avec des exigences sismiques importantes. La qualification d’une traversée isolée de 245 kV remplie de gaz, par exemple, effectuée par calcul statique conformément à la norme IEC TS 61463 « Traversées – Qualification sismique », confirme une résistance à l’accélération horizontale du sol jusqu’à 2,9 g. Ce résultat peut être directement transféré aux applications de support de station puisque le poids est le principal facteur déterminant pour les questions d'ordre sismique.

Enfin, à cet égard, il convient de noter que les normes réelles considèrent même les accélérations du sol de 0,5 g comme « fortes » à « très fortes ». 

A. Remplissages en général  

En général, le sujet de l'infiltration de vapeur d’humidité est un problème avec chaque isolateur composite exposé à des conditions environnementales. Un isolateur composite, fabriqué à partir de fibres liées par une résine et recouvertes d’un boîtier en polymère, a certainement un MVTR qui n’est pas nul. En principe, la direction de la transmission de la vapeur d’humidité suit le gradient de la situation de saturation des deux côtés, comme indiqué dans la figure 3. 

Pour faire simple, la vapeur d’humidité arrive par le côté le plus humide et gagne le côté le moins humide. Dans les applications bien connues, telles que les extrémités de câbles, les traversées, etc., qui contiennent un conducteur de courant, ce « chauffage interne » contribue à limiter le gradient voire à l'inverser favorablement. Le terme « séchage naturel », habituellement utilisé pour décrire ce phénomène, est techniquement incorrect, mais correspond à cette situation tout à fait étonnante. De plus, dans certaines applications telles que les équipements remplis de gaz, des techniques de séchage sont de toute façon en place pour gérer correctement l'infiltration de la vapeur d’humidité. 

Par rapport aux applications mentionnées ci-dessus, un SPI est une application passive, « hors tension » sans aucun chauffage interne. Il faut donc envisager un traitement de l’intérieur. 

L’étude sur le MVTR a fait l’objet de différentes recherches et publications autour du secteur ; par exemple, en [1] on a constaté 33,55 g d’humidité sur 40 ans d’exposition à 95 % d'humidité relative à 40 °C pour un type OD=166 mm/L=1,6 m. 

Bien entendu, l’humidité est un compagnon détesté dans tout système d’isolation à haute tension, mais finalement l’influence de celle-ci doit être prise en compte dans la mesure où elle ne peut être évitée. Le plus important est qu’en cas de remplissage gazeux, à cause des changements de température, le point de rosée est atteint et la condensation se produit. Cela pourrait constituer un fonctionnement potentiellement dangereux avec un risque de défaillance du système d'isolation. Quoi qu’il en soit, même avec un remplissage liquide ou solide, il faut tenir compte de l’influence de l’humidité qui pénètre. La modification possible de certaines caractéristiques HT, telles que la résistance à la rupture, le facteur de perte diélectrique, etc., doit être prise en compte. 

En évaluant les possibilités pour la conception interne, en résumé, les faits sont les suivants :   

• Laisser l'intérieur creux est certainement la méthode la plus simple, mais cela dépend surtout des cycles climatiques du site ; si les phases d'humidité élevée dominent, une accumulation interne d'humidité risque de se produire. L’influence des changements de température, en particulier les plus rapides, provoque de la condensation. 
• Les systèmes de remplissage solides montrent l’évaluation la plus positive à tous égards, sauf le poids.
• Les remplissages liquides sont similaires aux systèmes solides, mais les fuites et les besoins potentiels de surveillance sont faibles.
• Les remplissages de gaz (autres que l’air sous pression ambiante) peuvent nécessiter une surveillance et présenter des fuites potentielles. La condensation est également à prendre en compte, mais peut être traitée par l'application d'un déshydratant classique. 
• Le remplissage en mousse montre une évaluation positive à tous égards.

B. Remplissages en mousse   

La mousse, principalement à base de polyuréthane, est à l'étude dans l’industrie haute tension depuis de nombreuses années. Il est donc intéressant de la considérer comme moyen de remplissage interne. 

Tout d’abord, la recherche s'est concentrée sur les performances de panne électrique. Les essais ont montré que la résistance à la rupture est d’environ 3-4 kV/mm (RMS CA) pour la configuration plaque à plaque ronde avec une épaisseur d’échantillon de 6,5 à 10 mm. Avec des mousses spécialement formulées, on sait que la performance peut même être augmentée [c.-à-d. 2, 3, 4]. 

 Enfin, le comportement à long terme de la mousse, et donc la performance électrique du SPI par rapport au MVT, a fait l’objet d’un programme d’essai complet tel que décrit ci-dessous. Le schéma de test est illustré dans la figure 7.

Dans un premier temps, en tant que « conditionnement », un « test sur les interfaces et les extrémités des raccords » conformément à la norme IEC 61462, 7.2 / IEC 62217, 9.2 a été réalisé. Ce test comprend un test de claquage CA initial, des cycles de charge thermomécaniques ainsi qu’une précontrainte par immersion dans l’eau, suivis d’une confirmation par un test d’impulsion à front raide et enfin d’un test de claquage CA. Cette série de tests a réussi. 

Après une période de repos qui a duré un an et demi dans un environnement ambiant extérieur normal, l’objet a été exposé à 100 % d'humidité relative et en même temps alimenté avec 11,4 mm/kV CA (après un court laps de temps, la tension a dû être réduite à 14,2 mm/kV en raison de restrictions de laboratoire). La tension a été maintenue constante pour l’application. 2,5 ans. Compté à partir de l’exposition à la tension et à une humidité élevée, après 1,3 ; 1,8 et 2,5 ans, un test de tension d’impulsion à front raide (IEC 62217, 9.2.7.2.) a été effectué sporadiquement. Ceux-ci n’ont pas provoqué de claquage interne, mais seulement des claquages externes, validant ainsi les tests.  

Après 2,5 ans d'exposition à la tension et à l'humidité, le stress permanent a été causé par une exposition à 100 % d'humidité relative seulement ; la source de tension n'était plus disponible. Deux autres tests de vérification de l’impulsion à front raide avaient été effectués, l’un 2 ans après la mise hors tension, l’autre 5 ou 6 ans après la mise hors tension. L'objet testé a maintenant atteint 10,5 ans d'exposition à 100% d'humité relative (H.R.). 

Les isolateurs composites creux sont couverts par la norme IEC 61462 « Isolateurs composites creux – Isolateurs avec ou sans pression interne pour utilisation dans des appareillages électriques de tensions nominales supérieures à 1 000 V ».  Cette norme ne couvre toutefois pas les isolateurs de support. 

Les isolateurs composites à noyau solide sont couverts par la norme IEC 62231-1, édition 1.0 : « Isolateurs supports composites rigides à socle destinés aux postes à courant alternatif de tensions supérieures à 1 000 V jusqu’à 245 kV ». Cette norme ne couvre toutefois pas les types creux et est en outre limitée aux conceptions jusqu’à 245 kV. 

Pour toutes les qualifications liées aux matériaux, les deux normes mentionnées ci-dessus se réfèrent à la norme IEC 62217 – « Isolateurs polymériques à haute tension pour utilisation à l'intérieur ou à l'extérieur ». 

L’absence de définition par une norme a été identifiée lors de la réalisation des premiers projets avec les clients il y a près de dix ans. Cependant, il a fallu un certain temps avant que l'IEC accepte un NWIP, autour de 2011. La création de la norme IEC 62772 à venir : « Isolateurs supports composites creux pour postes présentant une tension alternative supérieure à 1 000 V et une tension continue supérieure à 1 500 V », relie les normes existantes mentionnées ci-dessus, créant ainsi une norme de produit pour l’application discutée. 

 La norme IEC 62772 à venir fera référence à la norme IEC 61462 pour les questions relatives aux noyaux creux composites, à la norme IEC 62231 pour les aspects relatifs aux supports isolants composites pour postes et à la norme IEC 62217 pour toutes les questions concernant les matériaux. Grâce à cela, un système d’adoption est fourni pour tous les isolateurs composites creux d’aujourd’hui. 

Comme mentionné ci-dessus, l’un des principaux thèmes de la création de la norme était en outre de gérer un lien approprié avec les principes existants concernant les supports de station, notamment énoncées dans les normes IEC 62231 et IEC 60273, afin de rendre le nouveau système compréhensible et facile à accepter pour les utilisateurs. 

La norme IEC 61462 sur les isolateurs composites creux ne précise aucun test en matière de charges de torsion et de compression car les applications servies jusqu’à présent n'en demandaient pas.  Les descriptions existantes dans la norme IEC 62231, dont les tests de qualification appropriés, ont été transférées à l'identique dans la nouvelle norme IEC 62772. Les capacités des conceptions creuses ne sont pas considérées comme une contrainte pour l'application. 

Le sujet le plus passionnant était de savoir comment aligner les différentes définitions de charge de flexion, afin de se connecter avec le concept MDCL déjà bien présent dans la norme IEC 62231 pour les conceptions de supports de station composites solides. 

Enfin, l’alignement a été fait en réglant la charge MDCL (Maximum Design Cantilever Load conformément à la norme IEC 62231, niveau de charge au-delà duquel l’isolateur commence à se dégrader et qui ne doit pas être dépassé en service) sur 1,25 fois la charge MML (Maximum Mechanical (cantilever) Load) conformément à la norme IEC 61462 qui doit être appliquée à l’isolateur composite creux en service). Cela constituera les conditions et relations de test suivantes :

• A) Précontrainte thermomécanique Cette précontrainte dans le cadre du test des interfaces et des extrémités de raccord est effectuée à 0,5 SML (Specified Mechanical Load). Puisque par définition (IEC 61462) SML = 2,5 MML, cela signifie 0,5 SML = 1 MDCL. 
• B) Test de vérification de la charge MDCL, « test de 96h ».

Ce test est effectué à 1,1 MDCL, ce qui correspond à 1 375 x MML selon la norme IEC 61462, et qui reste encore en dessous de la limite des dommages définie de 1,5 x MML. 

Les définitions de la norme IEC 61462 sont clairement données : la limite d’avarie est égale à 1,5 fois la charge MML pour le service et la charge SML spécifiée, qui correspond à la charge minimale de rupture pour les tests de type, est égale à 2,5 fois MML. 

Cependant, dans la norme IEC 62231, aucune relation claire n’est indiquée entre la charge SLC et la charge MDCL. De plus, la charge DLL (Damage Limit Load) n’est pas définie. Cependant, d’après différentes publications (c’est-à-dire [5]), on sait que les relations habituelles de la pratique peuvent être supposées comme suit : 

• SCL ~  2 MDCL (= 2 x 1,25 x MML = 2,5 MML = SML)
• DLL ~ 1,25 MDCL (= 1,25 x 1,25 x MML = 1,56 x MML) 

Les valeurs entre parenthèses montrent la projection donnée par rapport à la nouvelle considération.  

En résumé, la définition trouvée établit un alignement satisfaisant entre les deux normes composites lors de leur application à la nouvelle norme. 

Articles et publications utilisées en référence :

1. V. HINRICHSEN, N. MÖHRING, T. WIETOSKA, H. HAUPT, A. BOCKENHEIMER, C. HEINEMANN,  C. BERGER, I. GOTTSCHALK, N. KURDA, N. MIKLI, F. SCHMUCK, J. SEIFERT ; « Resistance to Vapor Permeation of Factory New and of Mechanically Stressed Composite Hollow Insulators », rapport A3_304, CIGRE 2010 
2. D. KOENIG, B. BAYER, H.J. HELLER ; « Breakdown of Polyurethane Hard-Foam Insulation under Short-time HV Stress », IEEE Transactions on Electrical Insulation, Vol. 24 N° 2, avril 1989 
3. A.TROEGER ; « Untersuchung der elektrischen Spannungsfestigkeit von Polyurethan-Hartschaum », 2003 annual report Institute for HV Technique, RWTH Aachen 
4. A.TROEGER ; « Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von Isoliermaterialien mit Schaumstruktur », 2004 annual report Institute for HV Technique, RWTH Aachen 
5. K. PAPAILIOU, F. SCHMUCK ; « Silikon-Verbundisolatoren – Werkstoffe, Dimensionierung, Anwendungen »,  1. Auflage 2012 
6. N. MIKLI, P. STAHL, B. RÄTH, M. HURNICKI, T. HUMMERSTON ; « A new generation of Composite Support Insulators  for UHV DC and AC systems », rapport A3-111, CIGRE 2012

Article rédigé par :

• Dr. Robert Strobl, Directeur principal de la gestion des produits Isolation et protection, TE Connectivity, rstrobl@te.com
• Peter Stahl, Directeur technique Axicom, TE Connectivity  pstahl@te.com